EP1666797A1 - Heat shield element, method for manufacturing the same, heat shield and combustor - Google Patents

Heat shield element, method for manufacturing the same, heat shield and combustor Download PDF

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EP1666797A1
EP1666797A1 EP04028445A EP04028445A EP1666797A1 EP 1666797 A1 EP1666797 A1 EP 1666797A1 EP 04028445 A EP04028445 A EP 04028445A EP 04028445 A EP04028445 A EP 04028445A EP 1666797 A1 EP1666797 A1 EP 1666797A1
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EP
European Patent Office
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heat shield
thermal expansion
shield element
hot
coefficient
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04028445A
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German (de)
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Inventor
Holger Grote
Andreas Heilos
Marc Tertilt
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
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Priority to EP05803716A priority patent/EP1817147A1/en
Priority to EP05811090.9A priority patent/EP1817528B1/en
Priority to US11/792,130 priority patent/US20080104963A1/en
Priority to PCT/EP2005/056127 priority patent/WO2006058851A1/en
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Priority to US12/774,049 priority patent/US9314939B2/en
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M5/00—Casings; Linings; Walls
    • F23M5/02—Casings; Linings; Walls characterised by the shape of the bricks or blocks used
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/002—Wall structures

Definitions

  • the present invention relates to a heat shield element, in particular a ceramic heat shield element, a method for producing a ceramic heat shield element, a built-up of heat shield elements Heisgasausposed and provided with a Heisgasausposed combustion chamber, which may be formed in particular as a gas turbine combustor.
  • the walls of hot gas-carrying combustors, such as gas turbine plants require thermal shielding of their supporting structure against hot gas attack.
  • the thermal shielding can be realized, for example, by means of a hot gas lining upstream of the actual combustion chamber wall, for example in the form of a ceramic heat shield.
  • a ceramic heat shield Such a Heisgasausstage usually constructed of a number of metallic or ceramic heat shield elements with which the combustion chamber wall is lined flat. Ceramic materials are ideally suited for the construction of a hot gas lining compared to metallic materials because of their high temperature resistance, corrosion resistance and low thermal conductivity.
  • a ceramic heat shield is described, for example, in EP 0 558 540 B1.
  • metallic heat shield elements have a higher resistance to thermal fluctuations and mechanical loads than ceramic heat shield elements, however, for example in gas turbine combustion chambers, they require complex cooling of the heat shield, since they have a higher thermal conductivity than ceramic heat shield elements.
  • metallic heat shield elements are more susceptible to corrosion and can due to their lower temperature stability can not be exposed to as high temperatures as ceramic heat shield elements.
  • the object of the present invention is to provide a heat shield element in which the tendency for cracking is reduced.
  • Another object of the present invention is to provide an advantageous heat shield and a combustion chamber equipped with an advantageous heat shield.
  • the first object of the invention is achieved by a heat shield element according to claim 1, the second object by a heat shield according to claim 7 and a combustion chamber according to claim 8 and the third object by a method according to claim 9.
  • the remaining claims contain advantageous developments of the invention.
  • a heat shield element according to the invention has a hot side to be turned towards a hot medium, a cold side to be turned away from the hot medium, and circumferential surfaces connecting the hot side to the cold side.
  • the hot side, the cold side and the peripheral surfaces limit the material volume of the heat shield element.
  • the heat shield element according to the invention is characterized in that the volume of material comprises at least two areas of material which differ in their coefficients of thermal expansion.
  • the thermal expansion of the material regions can be influenced in a targeted manner.
  • the stresses within the heat shield element can be reduced during operation of a heat shield.
  • At least one material region with a relatively low coefficient of thermal expansion adjoins the hot side of the heat shield element, whereas at least one material region with a relatively high thermal expansion coefficient adjoins the cold side of the heat shield element.
  • On the hot side occur at the transition from the ambient temperature (for example, when a gas turbine plant) to maximum operating temperature (for example, at full load of a gas turbine plant) greater temperature differences than on the cooled cold side of the heat shield element.
  • At least one material region with a relatively high coefficient of thermal expansion adjoins the peripheral surface of the heat shield element and at least one material region with a relatively low coefficient of thermal expansion, viewed from the peripheral surfaces, in the interior of the heat shield element Material volume can be arranged.
  • a material region with a relatively low coefficient of thermal expansion on the hot side and a material region with a relatively high coefficient of thermal expansion can also adjoin the cold side. Since the heat shield elements of a heat shield are cooled in particular in the area of the peripheral surfaces due to the blocking air flow, high temperature stresses occur in heat shield elements with a homogeneous coefficient of thermal expansion in the region of the peripheral surfaces, which occur due to the particularly low operating temperatures compared to the rest of the heat shield element. The fact that the coefficient of thermal expansion is increased in the region of the peripheral surfaces compared to the interior (seen from the peripheral surfaces) of the heat shield element, the voltages occurring can be reduced.
  • adjoining material regions with different coefficients of thermal expansion are configured in such a way that a smooth transition from the thermal expansion coefficient of one material region to the thermal expansion coefficient of the other material region takes place in the zone of transition from one material region to the other material region. Due to the smooth transition of the thermal expansion coefficient, the risk of destruction of the heat shield during the manufacturing process, in particular during the sintering process, which takes place at elevated, approximately homogeneous temperature, can be reduced.
  • the heat shield element according to the invention can in particular be designed as a ceramic heat shield element.
  • the reduced voltage formation due to the different coefficients of thermal expansion when spatial temperature gradients occur within the ceramic heat shield element leads to a reduced tendency to crack. This reduces the risk in a ceramic heat shield of formation of long cracks, which would lead to an exchange of the heat shield element. In addition, the reduced cracking tendency leads to a longer service life of the heat shield elements and thus to a reduction in the replacement rates of heat shield elements in hot gas linings.
  • a barrier fluid in particular sealing air can be used.
  • the heat shield according to the invention is characterized in that the heat shield elements are designed as heat shield elements according to the invention.
  • a combustion chamber according to the invention is lined with a heat shield according to the invention. It can be designed in particular as a gas turbine combustion chamber.
  • the method according to the invention for producing a ceramic heat shield element pressing or casting of a base material mixture takes place and subsequent sintering of the pressed or cast base material mixture.
  • the method according to the invention is characterized in that before the sintering of the pressed or cast base material mixture, the thermal expansion coefficients of different material regions are adjusted. By adjusting the thermal expansion coefficients of different material regions, the resistance of a heat shield element produced by means of the method according to the invention to temperature gradients within the heat shield element can be increased.
  • the adjustment of the coefficients of thermal expansion can be carried out, for example, by using base material mixtures having different compositions during pressing or casting for the corresponding material regions.
  • the composition of the base material mixture can be changed over in a fluid manner from one composition to the other composition, so that a smooth transition of the thermal expansion coefficient can be realized.
  • thermal expansion coefficients by after the pressing or casting of the base material mixture and before sintering a post-treatment of at least one material area, which after sintering compared to the rest of the base material mixture changed, for example.
  • a relatively low thermal Expansion coefficient should have.
  • the aftertreatment can be carried out, for example, by impregnating the at least one material area to be post-treated with a liquid. This approach allows a particularly good definition of material areas, which should have a relation to the rest of the base material mixture modified thermal expansion coefficient.
  • FIG. 1 shows a ceramic heat shield element 1 in a perspective view.
  • the heat shield element 1 has a hot side 3, which faces the hot medium after installation of the heat shield element 1 in a heat shield.
  • the hot side 3 is opposite the cold side 5 of the heat shield element 1, which faces after installation in a heat shield of the supporting structure of the combustion chamber wall and thus faces away from the hot medium.
  • Hot side 3 and cold side 5 are connected to each other via first peripheral surfaces 7 and second peripheral surfaces 9.
  • the second peripheral surfaces 9 have grooves 11 into which retaining clips (not shown) connected to the support structure of the combustion chamber wall can engage to hold the heat shield element in position after installation in a ceramic hot gas lining.
  • the first peripheral surfaces 7, however, have no groove.
  • the hot side 3, the cold side 5, the first peripheral surfaces 7 and the second peripheral surfaces 9 enclose the material volume of the heat shield element, which provides the thermal shielding effect.
  • a first embodiment of the heat shield element according to the invention is shown in Figure 2a in section.
  • the section runs along the line A-A from FIG. 1.
  • the hot side 13, the cold side 15 and the groove-free circumferential surfaces 17 of the heat shield element 10 of the first embodiment can be seen.
  • the heat shield element 10 has a first material region 19 and second material regions 21, which differ from the material region 19 by their thermal expansion coefficient.
  • the thermal expansion coefficient of the material regions 21 is greater than the thermal expansion coefficient of the material region 19. In this sense, the material region 19 has a relatively low thermal expansion coefficient, whereas the material regions 21 have a relatively high coefficient of thermal expansion.
  • the load-bearing structure of the combustion chamber wall is lined with a number of heat shield elements 10 area-covering.
  • the heat shield elements 10 are attached to one another in such a way that expansion gaps remain between adjacent heat shield elements 10. These expansion gaps serve to expand the heat shield elements 10 during operation of the combustion chamber on the basis of allow high operating temperatures without the heat shield elements 10 touching each other.
  • the expansion gaps are flushed with sealing air, which simultaneously serves to cool the holding elements holding the heat shield elements 10. For this reason, prevail at the Sperrluftumströmten first peripheral surfaces 17 and the likewise Sperrluftumströmten second peripheral surfaces (not visible in Fig. 2a) during operation of the combustion chamber lower temperatures than in the central region 23 of the Hitzeschildiatas 10.
  • the combustion chamber would therefore be the centrally located material area 19 of a conventional heat shield element, a higher thermal expansion experienced than the area located in the peripheral surfaces of material regions 21. In the low temperature areas, which are positively associated with the higher temperature range, it is therefore the formation of tensile stresses.
  • the relatively cool material regions 21 in a conventional heat shield element would be subject to stress due to their relatively low thermal expansion from the hot central region 19 experiencing greater thermal expansion, and could crack when exceeding the material strength.
  • the cracks would emanate from the edges of the heat shield and extend toward the heat shield interior. Such cracking can reduce the life of a heat shield element.
  • the stresses described with reference to a conventional heat shield element are reduced, in particular in the cool peripheral regions, since the material regions 21 have a higher thermal expansion coefficient than the central material region 19.
  • the higher temperature of the central material region 19 is thus compensated by the larger thermal expansion coefficient of the material regions 21 in the region of the peripheral surfaces 17.
  • the thermal expansion coefficients of the material regions 19 and 21 and the extent of these material regions in the material volume of the heat shield element 10 can be numerically optimized in such a way that the stresses in the heat shield element 10 are minimized.
  • the extent of the material regions 21 can be determined with relatively high coefficients of thermal expansion, by first performing a calculation of the temperature field which occurs in the desired operating state under corresponding boundary conditions in the heat shield element. Subsequently, on the basis of this result, the size of the regions 21 for the selected coefficient of thermal expansion can be adjusted such that a minimization of the stresses in the heat shield element 10 takes place.
  • the thermal expansion coefficients and the expansions of the material regions can be optimized simultaneously. However, it is also possible to specify the extent, for example, of the circumferential material regions 21 and to find suitable thermal expansion coefficients by means of an optimization.
  • material regions 21 are provided with an increased thermal expansion coefficient and reduced thermal conductivity compared with the central material region 19.
  • the heat shield element 10 according to the invention can also have material regions 20 with a thermal expansion coefficient increased compared to the central material region 19 and reduced thermal conductivity in the region of the second peripheral surfaces, ie in the region of the circumferential surfaces provided with grooves 18 (FIG.
  • a second embodiment of the heat shield element according to the invention is shown in section in FIG.
  • the section runs along the line A-A shown in FIG. Accordingly, the hot side 113, the cold side 115 and the groove-free peripheral surfaces 117 of the heat shield element 110 can be seen.
  • the heat shield element 110 has on the hot side a material region 119 with a relatively low coefficient of thermal expansion and a relatively low thermal conductivity. On the cold side, it has a material region 121 with respect to the hot-side material region 119 increased thermal expansion coefficient, increased thermal conductivity and increased mechanical strength.
  • This embodiment takes into account the fact that the hot side 113 of a heat shield element during operation of a combustion chamber is exposed to a higher temperature than the generally cooled cold side 115. In the heat shield element 110, therefore, a temperature gradient forms from the hot side 113 to the cold side 115 out. The lower temperature of the cold-side material region 121 is then compensated during operation of the combustion chamber by its thermal expansion coefficient, which is higher in comparison with the hot-side material region 119. Stress due to the temperature gradient can therefore be reliably avoided.
  • a third embodiment of the heat shield element according to the invention is shown in Figure 4 in section.
  • the section runs along the line AA shown in FIG. Accordingly, the cold side 213, the hot side 215 and the groove-free peripheral surfaces 217 of the heat shield element 210 can be seen.
  • the heat shield element 210 has a first, hot-side material region 219 having a first coefficient of thermal expansion, peripheral second material regions 221 having a second thermal expansion coefficient, and a cold-side material region 223 having a third coefficient of thermal expansion. there the second and third thermal expansion coefficients may also be identical.
  • stresses that occur due to temperature gradients in the interior of the heat shield element 210 can be reliably minimized.
  • the regions with different coefficients of expansion should preferably not be in the form of sharp boundaries of material properties, but rather in the form of smooth transitions of the material properties, the risk of destruction of the heat shield during the manufacturing process, especially during sintering, at elevated, substantially homogeneous temperature takes place, to avoid.
  • FIG. 5a shows a first step of the production method
  • FIG. 5b shows a second step.
  • the method comprises casting material mixtures into a mold 340 so as to form a green body, and then sintering the greenware to complete the ceramic heat shield element.
  • FIGS. 5a and 5b The casting of the material mixtures is shown in FIGS. 5a and 5b.
  • a material mixture 321 having a first composition is poured into the mold 340 (FIG. 5a).
  • a material mixture 319 having a second composition is poured over the first material mixture 321.
  • the consistency of the material mixtures is such that no complete mixing of the two material mixtures occurs. However, mixing at the interface 320 is desirable.
  • compositions of the material mixtures 319 and 321 are selected such that the material mixture 319 has a lower coefficient of thermal expansion after the sintering than the material mixture 321.
  • the casting of the heat shield element takes place when the casting mold is stationary, i. that part of the mold which forms the cold side and that part of the mold which forms the hot side are side walls of the mold, whereas the bottom of the mold is a part of the mold which forms one of the peripheral surfaces of the heat shield element.
  • Fig. 5c shows a standing mold in plan view.
  • templates 346, 347 may serve to separate different portions 348, 349, 350 of the mold 345 from each other.
  • different material mixtures are poured.
  • three different material mixtures can be used with the mold of FIG.
  • the templates are removed to effect bonding of the cast material mixes. Again, the consistency of the material mixtures is selected such that in the region of the interfaces after the removal of the templates, a mixing of the material mixtures.
  • FIGS. 6a and 6b A second manufacturing method for heat shield elements according to the invention will now be described with reference to FIGS. 6a and 6b.
  • a material mixture 419 is placed in a mold 440, 450 and then pressed.
  • the result is a green body 410 of the heat shield element.
  • This green compact 410 is shown in FIG. 6b. It can be seen the hot side 413, the cold side 415 and the groove-free peripheral surfaces 417 of the green body 410.
  • the green body 410 is impregnated with a liquid which influences the sintering process.
  • the liquid is selected such that the impregnated regions 421 after sintering have a higher coefficient of thermal expansion than the non-impregnated region 419.
  • the grooved circumferential surfaces of the green body 410 may also be soaked to increase the thermal expansion coefficient of the respective regions.
  • the result of the method described with reference to FIGS. 6a and 6b is a heat shield element as shown in FIG.
  • the mold can be filled horizontally or vertically and the filling of material mixtures done using templates.
  • the mold can thereby - as well as the mold when pouring a heat shield element - are placed or filled at any angle.
  • FIG. 3 Although the manufacture of a heat shield element as shown in FIG. 3 is described by way of example with reference to FIGS. 5a and 5b, it is also possible with the same method to use heat shield elements as shown in FIGS 2 or 4 are shown to produce. The same applies to the method which has been described with reference to FIGS. 6a and 6b. Even with this method, it is not only possible to produce a heat shield element as described with reference to FIG. Rather, it is also possible with this method to produce heat shield elements, as shown in Figures 3 or 4.

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Abstract

The heat shield element has two material areas (19,21), in the material volume, which have different thermal coefficients of expansion. The hot side (13) and cold side (15) are turned towards heating medium. The hot side is connected to the cold side with peripheral surface (17) whereby the hot side, cold side and peripheral surface have limited material volume. Independent claims are also included for the following: (A) Hot gas lining; (B) Combustion chamber; and (C) Method for manufacturing ceramic heat shield element.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hitzeschildelement, insbesondere ein keramisches Hitzeschildelement, ein Verfahren zum Herstellen eines keramischen Hitzeschildelementes, eine aus Hitzeschildelementen aufgebaute Heisgasauskleidung sowie eine mit einer Heisgasauskleidung versehene Brennkammer, die insbesondere als Gasturbinenbrennkammer ausgebildet sein kann.The present invention relates to a heat shield element, in particular a ceramic heat shield element, a method for producing a ceramic heat shield element, a built-up of heat shield elements Heisgasauskleidung and provided with a Heisgasauskleidung combustion chamber, which may be formed in particular as a gas turbine combustor.

Die Wände von heißgasführenden Brennkammern, beispielsweise von Gasturbinenanlagen erfordern eine thermische Abschirmung ihrer tragenden Struktur gegen Heißgasangriff. Die thermische Abschirmung kann beispielsweise durch eine der eigentlichen Brennkammerwand vorgelagerte Heisgasauskleidung, bspw. in Form eines keramischen Hitzeschildes, realisiert werden. Eine derartige Heisgasauskleidung in der Regel aus einer Anzahl von metallischen oder keramischen Hitzeschildelementen aufgebaut, mit denen die Brennkammerwand flächig ausgekleidet ist. Keramische Materialien bieten sich für den Aufbau einer Heisgasauskleidung im Vergleich zu metallischen Werkstoffen aufgrund ihrer hohen Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und niedrigen Wärmeleitfähigkeit idealerweise an. Ein keramischer Hitzeschild ist bspw. in EP 0 558 540 B1 beschrieben.The walls of hot gas-carrying combustors, such as gas turbine plants require thermal shielding of their supporting structure against hot gas attack. The thermal shielding can be realized, for example, by means of a hot gas lining upstream of the actual combustion chamber wall, for example in the form of a ceramic heat shield. Such a Heisgasauskleidung usually constructed of a number of metallic or ceramic heat shield elements with which the combustion chamber wall is lined flat. Ceramic materials are ideally suited for the construction of a hot gas lining compared to metallic materials because of their high temperature resistance, corrosion resistance and low thermal conductivity. A ceramic heat shield is described, for example, in EP 0 558 540 B1.

Wegen materialtypischer Wärmedehnungseigenschaften und der im Rahmen des Betriebs typischerweise auftretenden Temperaturunterschiede - etwa zwischen der Umgebungstemperatur bei Stillstand der Gasturbinenanlage und der maximalen Temperatur bei Volllast - muss die Wärmebeweglichkeit insbesondere keramischer Hitzeschilde in Folge temperaturabhängiger Dehnung gewährleistet sein, damit keine den Hitzeschild zerstörenden Wärmespannungen durch Behinderung der temperaturabhängigen Dehnung auftreten. Zwischen den einzelnen Hitzeschildelementen sind daher Dehnspalte vorhanden, um die Wärmeausdehnung der Hitzeschildelemente zu ermöglichen. Aus Sicherheitsgründen sind die Dehnspalte so ausgelegt, dass die auch bei maximaler Temperatur des Heißgases nie völlig geschlossen sind.
Es ist daher sicherzustellen, dass das Heißgas nicht über die Dehnspalte zur tragenden Wandstruktur der Brennkammer gelangt. Um die Dehnspalte gegen den Eintritt von Heißgas zu sperren, werden diese häufig mit einem in Richtung des Brennkammerinneren strömenden Sperrluftstrom gespült. Als Sperrluft findet in der Regel Luft Verwendung, die gleichzeitig als Kühlluft zum Kühlen von die Hitzeschildelemente haltenden Haltelementen dient, was u.a. zum Auftreten von Temperaturgradienten im Bereich der Kanten eines Hitzeschildelementes führt. Daher kommt es insbesondere bei keramischen Hitzeschildelementen auch ohne die Berührung benachbarter Hitzeschildelemente zu Spannungen auf der Heisseite, welche zu Rissbildungen führen und damit die Lebensdauer der Hitzeschildelemente negativ beeinflussen können.Due to material-typical thermal expansion properties and the temperature differences typically occurring during operation - such as between the ambient temperature at standstill of the gas turbine plant and the maximum temperature at full load - the thermal mobility particular ceramic heat shields must be guaranteed as a result of temperature-dependent expansion, so that no heat shield destructive thermal stresses by obstruction of temperature-dependent Elongation occur. Expansion gaps are therefore present between the individual heat shield elements in order to enable thermal expansion of the heat shield elements. For safety reasons, the expansion gaps are designed so that they are never completely closed even at maximum temperature of the hot gas.
It must therefore be ensured that the hot gas does not reach the load-bearing wall structure of the combustion chamber via the expansion gaps. In order to block the expansion gaps against the entry of hot gas, they are often flushed with a flowing in the direction of the combustion chamber interior air flow. As a rule, air is used as the sealing air, which at the same time serves as cooling air for cooling retaining elements holding the heat shield elements, which leads inter alia to the occurrence of temperature gradients in the region of the edges of a heat shield element. Therefore, in particular with ceramic heat shield elements, even without the contact of adjacent heat shield elements, stresses occur on the hot side, which can lead to cracking and thus adversely affect the life of the heat shield elements.

Um den Bedarf an Sperrluft zu verringern, wurde in EP 1 302 723 A1 vorgeschlagen, Strömungsbarrieren in den Dehnspalten anzuordnen. Dies kann auch zu einer Verringerung des Temperaturgradienten im Bereich der Kanten führen. Das Einbringen von Strömungsbarrieren ist jedoch nicht immer ohne weiteres möglich und erhöht zudem die Komplexität eines Hitzeschildes.In order to reduce the need for sealing air, it has been proposed in EP 1 302 723 A1 to arrange flow barriers in the expansion gaps. This can also lead to a reduction of the temperature gradient in the region of the edges. However, the introduction of flow barriers is not always readily possible and also increases the complexity of a heat shield.

Alternative Vorgehensweisen bestehen darin, Hitzeschildelemente aus Metall zu verwenden. Metallische Hitzeschildelemente weisen zwar gegenüber Temperaturschwankungen und mechanischen Belastungen eine höhere Widerstandsfähigkeit als keramische Hitzeschildelemente auf, erfordern jedoch bspw. in Gasturbinenberennkammern eine aufwändige Kühlung des Hitzeschildes, da sie eine höhere Wärmeleitfähigkeit als keramische Hitzeschildelemente besitzen. Außerdem sind metallische Hitzeschildelemente korrosionsanfälliger und können aufgrund ihrer geringeren Temperaturstabilität nicht so hohen Temperaturen ausgesetzt werden wie keramische Hitzeschildelemente.Alternative approaches are to use metal heat shield elements. Although metallic heat shield elements have a higher resistance to thermal fluctuations and mechanical loads than ceramic heat shield elements, however, for example in gas turbine combustion chambers, they require complex cooling of the heat shield, since they have a higher thermal conductivity than ceramic heat shield elements. In addition, metallic heat shield elements are more susceptible to corrosion and can due to their lower temperature stability can not be exposed to as high temperatures as ceramic heat shield elements.

Um Rissbildungen zu minimieren ist man daher in der Regel bemüht die thermische Belastung der Hitzeschildelemente eines Hitzeschildes möglichst gering zu halten.In order to minimize the formation of cracks, it is therefore generally endeavored to minimize the thermal load on the heat shield elements of a heat shield.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Hitzeschildelement zur Verfügung zu stellen, in dem die Neigung zur Rissbildung reduziert ist.The object of the present invention is to provide a heat shield element in which the tendency for cracking is reduced.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen vorteilhaften Hitzeschild und eine mit einem vorteilhaften Hitzeschild ausgestattete Brennkammer zur Verfügung zu stellen.Another object of the present invention is to provide an advantageous heat shield and a combustion chamber equipped with an advantageous heat shield.

Schließlich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen vorteilhafter Hitzeschildelemente zur Verfügung zu stellen.Finally, it is an object of the present invention to provide a method for producing advantageous heat shield elements.

Die erste Aufgabe der Erfindung wird durch ein Hitzeschildelement nach Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch einen Hitzeschild nach Anspruch 7 bzw. eine Brennkammer nach Anspruch 8 und die dritte Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 9. Die übrigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.The first object of the invention is achieved by a heat shield element according to claim 1, the second object by a heat shield according to claim 7 and a combustion chamber according to claim 8 and the third object by a method according to claim 9. The remaining claims contain advantageous developments of the invention.

Ein erfindungsgemäßes Hitzeschildelement weist eine einem heißen Medium zuzuwendende Heißseite, eine dem heißen Medium abzuwendende Kaltseite sowie die Heißseite mit der Kaltseite verbindende Umfangsflächen auf. Die Heißseite, die Kaltseite und die Umfangsflächen begrenzen das Materialvolumen des Hitzeschildelementes. Das erfindungsgemäße Hitzeschildelement zeichnet sich dadurch aus, dass das Materialvolumen mindestens zwei Materialbereiche umfasst, welche sich in ihren thermischen Ausdehnungskoeffizienten voneinander unterscheiden.A heat shield element according to the invention has a hot side to be turned towards a hot medium, a cold side to be turned away from the hot medium, and circumferential surfaces connecting the hot side to the cold side. The hot side, the cold side and the peripheral surfaces limit the material volume of the heat shield element. The heat shield element according to the invention is characterized in that the volume of material comprises at least two areas of material which differ in their coefficients of thermal expansion.

Mit geeigneten thermischen Ausdehnungskoeffizienten lässt sich die thermische Ausdehnung der Materialbereiche gezielt beeinflussen. Insbesondere wenn Materialbereiche, die für relativ hohe Betriebstemperaturen vorgesehen sind, einen relativ niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen und Materialbereiche, die für relativ niedrige Betriebstemperaturen vorgesehen sind, einen relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, lassen sich die Spannungen innerhalb des Hitzeschildelementes beim Betrieb eines Hitzeschildes reduzieren.With suitable thermal expansion coefficients, the thermal expansion of the material regions can be influenced in a targeted manner. In particular, when material areas provided for relatively high operating temperatures have a relatively low coefficient of thermal expansion and material areas provided for relatively low operating temperatures have a relatively high coefficient of thermal expansion, the stresses within the heat shield element can be reduced during operation of a heat shield.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes grenzt mindestens ein Materialbereich mit relativ niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizient an die Heißseite des Hitzeschildelementes an, wohingegen mindestens ein Materialbereich mit relativ hohem thermischen Ausdehnungskoeffizient an die Kaltseite des Hitzeschildelementes angrenzt. An der Heißseite treten beim Übergang von der Umgebungstemperatur (beispielsweise beim Stillstand einer Gasturbinenanlage) zu maximaler Betriebstemperatur (beispielsweise bei Volllast einer Gasturbinenanlage) größere Temperaturunterschiede auf als an der gekühlten Kaltseite des Hitzeschildelementes. Diese werden in der beschriebenen Ausgestaltung dadurch ausgeglichen, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Hitzeschildelementes im Bereich der Heißseite geringer ist als im Bereich der Kaltseite. Bei geeigneter Wahl der thermischen Ausdehnungskoeffizienten lässt sich die Materialausdehnung im Bereich der Kaltseite an die Materialausdehnung im Bereich der Heißseite anpassen, wodurch Materialspannungen im Hitzeschildelement verringert werden können.In one embodiment of the heat shield element according to the invention, at least one material region with a relatively low coefficient of thermal expansion adjoins the hot side of the heat shield element, whereas at least one material region with a relatively high thermal expansion coefficient adjoins the cold side of the heat shield element. On the hot side occur at the transition from the ambient temperature (for example, when a gas turbine plant) to maximum operating temperature (for example, at full load of a gas turbine plant) greater temperature differences than on the cooled cold side of the heat shield element. These are compensated in the described embodiment in that the thermal expansion coefficient of the heat shield element in the region of the hot side is lower than in the region of the cold side. With a suitable choice of the coefficients of thermal expansion, the material expansion in the region of the cold side can be adapted to the material expansion in the region of the hot side, whereby material stresses in the heat shield element can be reduced.

Außerdem kann wenigstens ein Materialbereich mit relativ hohem thermischen Ausdehnungskoeffizienten an die Umfangsfläche des Hitzeschildelementes angrenzen und wenigstens ein Materialbereich mit relativ niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von den Umfangsflächen aus gesehen im Inneren des Materialvolumens angeordnet sein. In dieser Ausgestaltung kann außerdem auch ein Materialbereich mit relativ niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten an die Heißseite und ein Materialbereich mit relativ hohem thermischem Ausdehnungskoeffizienten an die Kaltseite angrenzen. Da insbesondere im Bereich der Umfangsflächen eine Kühlung der Hitzeschildelemente eines Hitzeschildes aufgrund des Sperrluftstromes erfolgt, treten in Hitzeschildelementen mit homogenem thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich der Umfangsflächen hohe Spannungen auf, die aufgrund der gegenüber dem Rest des Hitzeschildelementes besonders niedrigen Betriebstemperaturen entstehen. Dadurch, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient im Bereich der Umfangsflächen im Vergleich zum Inneren (von den Umfangsflächen aus gesehen) des Hitzeschildelementes erhöht ist, lassen sich die auftretenden Spannungen reduzieren.In addition, at least one material region with a relatively high coefficient of thermal expansion adjoins the peripheral surface of the heat shield element and at least one material region with a relatively low coefficient of thermal expansion, viewed from the peripheral surfaces, in the interior of the heat shield element Material volume can be arranged. In addition, in this embodiment, a material region with a relatively low coefficient of thermal expansion on the hot side and a material region with a relatively high coefficient of thermal expansion can also adjoin the cold side. Since the heat shield elements of a heat shield are cooled in particular in the area of the peripheral surfaces due to the blocking air flow, high temperature stresses occur in heat shield elements with a homogeneous coefficient of thermal expansion in the region of the peripheral surfaces, which occur due to the particularly low operating temperatures compared to the rest of the heat shield element. The fact that the coefficient of thermal expansion is increased in the region of the peripheral surfaces compared to the interior (seen from the peripheral surfaces) of the heat shield element, the voltages occurring can be reduced.

In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes sind einander benachbarte Materialbereiche mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten derart ausgestaltet, dass in der Zone des Übergangs von dem einen Materialbereich zum anderen Materialbereich ein fließender Übergang von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des einen Materialbereiches zu dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des anderen Materialbereiches stattfindet. Aufgrund des fließenden Übergangs des thermischen Ausdehnungskoeffizienten lässt sich die Gefahr einer Zerstörung des Hitzeschildes während des Herstellungsverfahrens, insbesondere während des Sinterprozesses, der bei erhöhter, etwa homogener Temperatur stattfindet, verringern.In a further development of the heat shield element according to the invention, adjoining material regions with different coefficients of thermal expansion are configured in such a way that a smooth transition from the thermal expansion coefficient of one material region to the thermal expansion coefficient of the other material region takes place in the zone of transition from one material region to the other material region. Due to the smooth transition of the thermal expansion coefficient, the risk of destruction of the heat shield during the manufacturing process, in particular during the sintering process, which takes place at elevated, approximately homogeneous temperature, can be reduced.

Das erfindungsgemäße Hitzeschildelement kann insbesondere als keramisches Hitzeschildelement ausgestaltet sein.The heat shield element according to the invention can in particular be designed as a ceramic heat shield element.

Die in Folge der verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verringerte Spannungsbildung beim Auftreten räumlicher Temperaturgradienten innerhalb des keramischen Hitzeschildelementes führt zu einer verringerten Rissbildungsneigung. Dadurch verringert sich in einem keramischen Hitzeschild das Risiko der Ausbildung von langen Rissen, die zu einem Austausch des Hitzeschildelementes führen würden. Zudem führt die verringerte Rissbildungsneigung zu einer höheren Lebensdauer der Hitzeschildelemente und somit zu einer Verringerung der Austauschraten von Hitzeschildelementen in Heisgasauskleidungen.The reduced voltage formation due to the different coefficients of thermal expansion when spatial temperature gradients occur within the ceramic heat shield element leads to a reduced tendency to crack. This reduces the risk in a ceramic heat shield of formation of long cracks, which would lead to an exchange of the heat shield element. In addition, the reduced cracking tendency leads to a longer service life of the heat shield elements and thus to a reduction in the replacement rates of heat shield elements in hot gas linings.

Ein erfindungsgemäßer Hitzeschild, der insbesondere als ein Hitzeschild für eine Gasturbinenbrennkammer ausgestaltet sein kann, umfasst eine Anzahl=von unter Dehnspaltbelastung an ihren Umfangsflächen an einander angrenzenden Hitzeschildelementen und eine Sperrfluidzufuhr zum Zuführen eines die Dehnspalte gegen den Eintritt von heißem Medium sperrenden Sperrfluidstroms. Als Sperrfluid kann insbesondere Sperrluft zur Anwendung kommen. Der erfindungsgemäße Hitzeschild zeichnet sich dadurch aus, dass die Hitzeschildelemente als erfindungsgemäße Hitzeschildelemente ausgestaltet sind.A heat shield according to the invention, which in particular can be configured as a heat shield for a gas turbine combustor, comprises a number = of under stress cracking loads on their peripheral surfaces on adjacent heat shield elements and a barrier fluid supply for supplying a barrier fluid flow blocking the expansion gaps against the entry of hot medium. As a barrier fluid, in particular sealing air can be used. The heat shield according to the invention is characterized in that the heat shield elements are designed as heat shield elements according to the invention.

Eine erfindungsgemäße Brennkammer ist mit einem erfindungsgemäßen Hitzeschild ausgekleidet. Sie kann insbesondere als Gasturbinenbrennkammer ausgebildet sein.A combustion chamber according to the invention is lined with a heat shield according to the invention. It can be designed in particular as a gas turbine combustion chamber.

Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines keramischen Hitzeschildelementes erfolgt ein Pressen oder Gießen einer Grundmaterialmischung und ein anschließendes Sintern der gepressten bzw. gegossenen Grundmaterialmischung. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass vor dem Sintern der gepressten bzw. gegossenen Grundmaterialmischung ein Einstellen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten verschiedener Materialbereiche erfolgt. Durch das Einstellen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten verschiedener Materialbereiche lässt sich die Widerstandsfähigkeit eines mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Hitzeschildelementes gegenüber Temperaturgradienten innerhalb des Hitzeschildelementes erhöhen.In the method according to the invention for producing a ceramic heat shield element, pressing or casting of a base material mixture takes place and subsequent sintering of the pressed or cast base material mixture. The method according to the invention is characterized in that before the sintering of the pressed or cast base material mixture, the thermal expansion coefficients of different material regions are adjusted. By adjusting the thermal expansion coefficients of different material regions, the resistance of a heat shield element produced by means of the method according to the invention to temperature gradients within the heat shield element can be increased.

Das Einstellen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten kann bspw. erfolgen, indem beim Pressen oder Gießen für die entsprechenden Materialbereiche Grundmaterialmischungen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen Verwendung finden. Insbesondere kann die Zusammensetzung der Grundmaterialmischung dabei fließend von der einen Zusammensetzung zur anderen Zusammensetzung umgestellt werden, sodass ein fließender Übergang des thermischen Ausdehnungskoeffizienten realisiert werden kann.The adjustment of the coefficients of thermal expansion can be carried out, for example, by using base material mixtures having different compositions during pressing or casting for the corresponding material regions. In particular, the composition of the base material mixture can be changed over in a fluid manner from one composition to the other composition, so that a smooth transition of the thermal expansion coefficient can be realized.

Alternativ ist es auch möglich, das Einstellen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten vorzunehmen, indem nach dem Pressen oder Gießen der Grundmaterialmischung und vor dem Sintern ein Nachbehandeln mindestens eines Materialbereiches erfolgt, welcher nach dem Sintern einen gegenüber dem Rest der Grundmaterialmischung veränderten, bspw. einen relativ niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizient aufweisen soll. Das Nachbehandeln kann beispielsweise erfolgen, indem der mindestens eine nachzubehandelnde Materialbereich mit einer Flüssigkeit getränkt wird. Diese Vorgehensweise erlaubt eine besonders gute Festlegung von Materialbereichen, die einen gegenüber dem Rest der Grundmaterialmischung veränderten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen sollen.Alternatively, it is also possible to adjust the thermal expansion coefficients by after the pressing or casting of the base material mixture and before sintering a post-treatment of at least one material area, which after sintering compared to the rest of the base material mixture changed, for example. A relatively low thermal Expansion coefficient should have. The aftertreatment can be carried out, for example, by impregnating the at least one material area to be post-treated with a liquid. This approach allows a particularly good definition of material areas, which should have a relation to the rest of the base material mixture modified thermal expansion coefficient.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.

  • Figur 1 zeigt ein Hitzeschildelement in einer perspektivischen Ansicht.
  • Figur 2a zeigt eine erste Ausführungsform des in Figur dargestellten Hitzeschildelementes in einem Schnitt entlang der Linie A-A.
  • Figur 2b zeigt eine Abwandlung des in Figur 2a dargestellten Hitzeschildelementes in einem Schnitt entlang der Linie B-B aus Figur 1.
  • Figur 3 zeigt eine zweite Ausführungsform des in Figur 1 dargestellten Hitzeschildelementes in einem Schnitt entlang der Linie A-A.
  • Figur 4 zeigt eine dritte Ausführungsform des in Figur 1 dargestellten Hitzeschildelementes in einem Schnitt entlang der Linie A-A.
  • Figur 5a zeigt einen ersten Schritt eines ersten Herstellungsverfahrens für ein erfindungsgemäßes Hitzeschildelement.
  • Figur 5b zeigt einen zweiten Schritt des Herstellungsverfahrens aus Figur 5a.
  • Fig. 5c zeigt eine alternative Variante des in den Figuren 5a und 5b dargestellten Verfahrens.
  • Figur 6a zeigt einen ersten Schritt eines zweiten Herstellungsverfahrens für ein erfindungsgemäßes Hitzeschildelement.
  • Figur 6b zeigt einen zweiten Schritt des in Figur 6a gezeigten Verfahrens.
Further features, properties and advantages of the present invention will become apparent from the following description of embodiments with reference to the accompanying figures.
  • FIG. 1 shows a heat shield element in a perspective view.
  • Figure 2a shows a first embodiment of the heat shield element shown in Figure in a section along the line AA.
  • FIG. 2b shows a modification of the heat shield element shown in FIG. 2a in a section along the line BB from FIG. 1.
  • FIG. 3 shows a second embodiment of the heat shield element shown in FIG. 1 in a section along the line AA.
  • FIG. 4 shows a third embodiment of the heat shield element shown in FIG. 1 in a section along the line AA.
  • FIG. 5a shows a first step of a first production method for a heat shield element according to the invention.
  • FIG. 5b shows a second step of the manufacturing method from FIG. 5a.
  • FIG. 5 c shows an alternative variant of the method illustrated in FIGS. 5 a and 5 b.
  • FIG. 6a shows a first step of a second production method for a heat shield element according to the invention.
  • FIG. 6b shows a second step of the method shown in FIG. 6a.

Figur 1 zeigt ein keramisches Hitzeschildelement 1 in einer perspektivischen Ansicht. Das Hitzeschildelement 1 weist eine Heißseite 3 auf, welche nach dem Einbau des Hitzeschildelementes 1 in einen Hitzeschild dem heißen Medium zugewandt ist. Der Heißseite 3 gegenüber liegt die Kaltseite 5 des Hitzeschildelementes 1, welche nach dem Einbau in einen Hitzeschild der tragenden Struktur der Brennkammerwand zugewandt und somit dem heißen Medium abgewandt ist. Heißseite 3 und Kaltseite 5 sind über erste Umfangsflächen 7 und zweite Umfangsflächen 9 miteinander verbunden. Die zweiten Umfangsflächen 9 weisen Nuten 11 auf, in weiche mit der Tragstruktur der Brennkammerwand verbundene Halteklammern (nicht dargestellt) eingreifen können, um das Hitzeschildelement nach dem Einbau in eine keramische Heisgasauskleidung in Position zu halten. Die ersten Umfangsflächen 7 weisen dagegen keine Nut auf.FIG. 1 shows a ceramic heat shield element 1 in a perspective view. The heat shield element 1 has a hot side 3, which faces the hot medium after installation of the heat shield element 1 in a heat shield. The hot side 3 is opposite the cold side 5 of the heat shield element 1, which faces after installation in a heat shield of the supporting structure of the combustion chamber wall and thus faces away from the hot medium. Hot side 3 and cold side 5 are connected to each other via first peripheral surfaces 7 and second peripheral surfaces 9. The second peripheral surfaces 9 have grooves 11 into which retaining clips (not shown) connected to the support structure of the combustion chamber wall can engage to hold the heat shield element in position after installation in a ceramic hot gas lining. The first peripheral surfaces 7, however, have no groove.

Die Heißseite 3, die Kaltseite 5, die ersten Umfangsflächen 7 und die zweiten Umfangsflächen 9 umschließen das Materialvolumen des Hitzeschildelementes, welches für die thermische Abschirmwirkung sorgt.The hot side 3, the cold side 5, the first peripheral surfaces 7 and the second peripheral surfaces 9 enclose the material volume of the heat shield element, which provides the thermal shielding effect.

Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes ist in Figur 2a im Schnitt dargestellt. Der Schnitt verläuft entlang der Linie A-A aus Figur 1. Es sind die Heißseite 13, die Kaltseite 15 sowie die nutfreien Umfangsflächen 17 des Hitzeschildelementes 10 der ersten Ausführungsform zu erkennen. Das Hitzeschildelement 10 weist einen ersten Materialbereich 19 und zweite Materialbereiche 21, die sich vom Materialbereich 19 durch ihren thermischen Ausdehnungskoeffizienten unterscheiden. Der thermische Ausdehnungskoeffizient der Materialbereiche 21 ist dabei größer als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materialbereiches 19. In diesem Sinne weist der Materialbereich 19 einen relativ geringen thermischen Ausdehnungskoeffizient auf, wohingegen die Materialbereiche 21 einen relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.A first embodiment of the heat shield element according to the invention is shown in Figure 2a in section. The section runs along the line A-A from FIG. 1. The hot side 13, the cold side 15 and the groove-free circumferential surfaces 17 of the heat shield element 10 of the first embodiment can be seen. The heat shield element 10 has a first material region 19 and second material regions 21, which differ from the material region 19 by their thermal expansion coefficient. The thermal expansion coefficient of the material regions 21 is greater than the thermal expansion coefficient of the material region 19. In this sense, the material region 19 has a relatively low thermal expansion coefficient, whereas the material regions 21 have a relatively high coefficient of thermal expansion.

Beim Aufbau eines Hitzeschildes, beispielsweise für eine Gasturbinenbrennkammer, wird die tragende Struktur der Brennkammerwand mit einer Anzahl Hitzeschildelementen 10 flächendeckend ausgekleidet. Die Hitzeschildelemente 10 werden dabei derart an einander angrenzend angebracht, dass Dehnspalte zwischen benachbarten Hitzeschildelementen 10 verbleiben. Diese Dehnspalte dienen dazu, eine Ausdehnung der Hitzeschildelemente 10 beim Betrieb der Brennkammer aufgrund der hohen Betriebstemperaturen zu ermöglichen, ohne dass sich die Hitzeschildelemente 10 gegenseitig berühren.When constructing a heat shield, for example for a gas turbine combustor, the load-bearing structure of the combustion chamber wall is lined with a number of heat shield elements 10 area-covering. In this case, the heat shield elements 10 are attached to one another in such a way that expansion gaps remain between adjacent heat shield elements 10. These expansion gaps serve to expand the heat shield elements 10 during operation of the combustion chamber on the basis of allow high operating temperatures without the heat shield elements 10 touching each other.

Um einen Durchtritt des heißen Mediums, beispielsweise heißer Verbrennungsgase, durch die Dehnspalte zur tragenden Struktur der Brennkammerwand zu verhindern, werden die Dehnspalte mit Sperrluft gespült, die gleichzeitig zum Kühlen der die Hitzeschildelemente 10 haltenden Halteelemente dient. Aus diesem Grund herrschen an den sperrluftumströmten ersten Umfangsflächen 17 und den ebenfalls sperrluftumströmten zweiten Umfangsflächen (in Fig. 2a nicht zu erkennen) beim Betrieb der Brennkammer niedrigere Temperaturen als im zentralen Bereich 23 des Hitzeschildelementes 10. Beim Betrieb der Brennkammer würde daher der zentral gelegene Materialbereich 19 eines konventionellen Hitzeschildelementes eine höhere thermische bedingte Ausdehnung erfahren als die im Bereich der Umfangsflächen gelegenen Materialbereiche 21. In den Bereichen niedriger Temperatur, die formschlüssig mit dem Bereich höherer Temperatur verknüpft sind, kommt es daher zur Ausbildung von Zugspannungen. In den Bereichen der höheren Temperatur kommt es entsprechend zur Druckspannungen. Mit anderen Worten, die relativ kühlen Materialbereiche 21 würden in einem konventionellen Hitzeschildelement in Folge ihrer vergleichsweise geringen thermischen Dehnung von dem heißen Zentralbereich 19, der eine größere thermische Dehnung erfährt, unter Zug gesetzt und könnten beim Überschreiten der Materialfestigkeit eine Rissbildung erfahren. Die Risse würden von den Kanten des Hitzeschildes ausgehen und sich in Richtung auf das Hitzeschildinnere erstrecken. Eine derartige Rissbildung kann die Lebensdauer eines Hitzeschildelementes verringern.In order to prevent a passage of the hot medium, for example hot combustion gases, through the expansion gaps to the supporting structure of the combustion chamber wall, the expansion gaps are flushed with sealing air, which simultaneously serves to cool the holding elements holding the heat shield elements 10. For this reason, prevail at the Sperrluftumströmten first peripheral surfaces 17 and the likewise Sperrluftumströmten second peripheral surfaces (not visible in Fig. 2a) during operation of the combustion chamber lower temperatures than in the central region 23 of the Hitzeschildelementes 10. When operating the combustion chamber would therefore be the centrally located material area 19 of a conventional heat shield element, a higher thermal expansion experienced than the area located in the peripheral surfaces of material regions 21. In the low temperature areas, which are positively associated with the higher temperature range, it is therefore the formation of tensile stresses. In the areas of higher temperature, the compressive stresses occur accordingly. In other words, the relatively cool material regions 21 in a conventional heat shield element would be subject to stress due to their relatively low thermal expansion from the hot central region 19 experiencing greater thermal expansion, and could crack when exceeding the material strength. The cracks would emanate from the edges of the heat shield and extend toward the heat shield interior. Such cracking can reduce the life of a heat shield element.

Im erfindungsgemäßen Hitzeschildelement 10 sind die mit Bezug auf ein konventionelles Hitzeschildelement beschriebenen Spannungen insbesondere in den kühlen Umfangsbereichen verringert, da die Materialbereiche 21 einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizient aufweisen als der zentrale Materialbereich 19. Die höhere Temperatur des zentralen Materialbereiches 19 wird also durch den größeren thermischen Ausdehnungsbereichkoeffizienten der Materialbereiche 21 im Bereich der Umfangsflächen 17 ausgeglichen.In the heat shield element 10 according to the invention, the stresses described with reference to a conventional heat shield element are reduced, in particular in the cool peripheral regions, since the material regions 21 have a higher thermal expansion coefficient than the central material region 19. The higher temperature of the central material region 19 is thus compensated by the larger thermal expansion coefficient of the material regions 21 in the region of the peripheral surfaces 17.

Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialbereiche 19 bzw. 21 sowie die Ausdehnung dieser Materialbereiche im Materialvolumen des Hitzeschildelementes 10 können numerisch derart optimiert werden, dass die Spannungen im Hitzeschildelement 10 minimiert werden. Beispielsweise kann die Ausdehnung der Materialbereiche 21 mit relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten festgelegt werden, indem zunächst eine Berechnung des sich im angestrebten-Betriebszustand bei entsprechenden Randbedingungen im Hitzeschildelement einstellenden Temperaturfeldes durchgeführt wird. Anschließend kann anhand dieses Ergebnisses die Größe der Bereiche 21 für den gewählten thermischen Ausdehnungskoeffizienten so eingestellt werden, dass hierdurch eine Minimierung der Spannungen im Hitzeschildelement 10 erfolgt. Selbstverständlich können auch die thermischen Ausdehnungskoeffizienten und die Ausdehnungen der Materialbereiche simultan optimiert werden. Es ist aber auch möglich, die Ausdehnung beispielsweise der umfänglichen Materialbereiche 21 vorzugeben und mittels einer Optimierung geeignete thermische Ausdehnungskoeffizienten zu finden.The thermal expansion coefficients of the material regions 19 and 21 and the extent of these material regions in the material volume of the heat shield element 10 can be numerically optimized in such a way that the stresses in the heat shield element 10 are minimized. For example, the extent of the material regions 21 can be determined with relatively high coefficients of thermal expansion, by first performing a calculation of the temperature field which occurs in the desired operating state under corresponding boundary conditions in the heat shield element. Subsequently, on the basis of this result, the size of the regions 21 for the selected coefficient of thermal expansion can be adjusted such that a minimization of the stresses in the heat shield element 10 takes place. Of course, the thermal expansion coefficients and the expansions of the material regions can be optimized simultaneously. However, it is also possible to specify the extent, for example, of the circumferential material regions 21 and to find suitable thermal expansion coefficients by means of an optimization.

In Figur 2a sind im Bereich der.nutfreien Umfangsflächen 17 des Hitzeschildelementes Materialbereiche 21 mit gegenüber dem zentralen Materialbereich 19 erhöhtem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und reduzierter thermischer Leitfähigkeit vorhanden. Zusätzlich oder alternativ kann das erfindungsgemäße Hitzeschildelement 10 auch Materialbereiche 20 mit gegenüber dem zentralen Materialbereich 19 erhöhtem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und reduzierter thermischer Leitfähigkeit im Bereich der zweiten Umfangsflächen aufweisen, also im Bereich der mit Nuten 18 versehenen Umfangsflächen(Fig. 2b).In FIG. 2a, in the area of the groove-free peripheral surfaces 17 of the heat shield element, material regions 21 are provided with an increased thermal expansion coefficient and reduced thermal conductivity compared with the central material region 19. Additionally or alternatively, the heat shield element 10 according to the invention can also have material regions 20 with a thermal expansion coefficient increased compared to the central material region 19 and reduced thermal conductivity in the region of the second peripheral surfaces, ie in the region of the circumferential surfaces provided with grooves 18 (FIG.

Eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes ist in Figur 3 im Schnitt dargestellt. Der Schnitt verläuft entlang der in Figur 1 dargestellten Linie A-A. Entsprechend sind die Heißseite 113, die Kaltseite 115 und die nutfreien Umfangsflächen 117 des Hitzeschildelementes 110 zu erkennen.A second embodiment of the heat shield element according to the invention is shown in section in FIG. The section runs along the line A-A shown in FIG. Accordingly, the hot side 113, the cold side 115 and the groove-free peripheral surfaces 117 of the heat shield element 110 can be seen.

Das Hitzeschildelement 110 weist heißseitig einen Materialbereich 119 mit relativ niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und relativ niedriger thermischer Leitfähigkeit auf. Kaltseitig weist es einen Materialbereich 121 mit gegenüber dem heißseitigen Materialbereich 119 erhöhtem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, erhöhter thermischer Leitfähigkeit und erhöhter mechanischer Belastbarkeit auf. Diese Ausgestaltung trägt dem Umstand Rechnung, dass die Heißseite 113 eines Hitzeschildelementes beim Betrieb einer Brennkammer einer höheren Temperatur ausgesetzt ist als die in der Regel gekühlte Kaltseite 115. Im Hitzeschildelement 110 bildet sich daher ein Temperaturgradient von der Heißseite 113 zur Kaltseite 115 hin aus. Die niedrigere Temperatur des kaltseitigen Materialbereiches 121 wird dann beim Betrieb der Brennkammer durch dessen im Vergleich zum heißseitigen Materialbereich 119 höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgeglichen. Spannungen aufgrund des Temperaturgradienten können daher zuverlässig vermieden werden.The heat shield element 110 has on the hot side a material region 119 with a relatively low coefficient of thermal expansion and a relatively low thermal conductivity. On the cold side, it has a material region 121 with respect to the hot-side material region 119 increased thermal expansion coefficient, increased thermal conductivity and increased mechanical strength. This embodiment takes into account the fact that the hot side 113 of a heat shield element during operation of a combustion chamber is exposed to a higher temperature than the generally cooled cold side 115. In the heat shield element 110, therefore, a temperature gradient forms from the hot side 113 to the cold side 115 out. The lower temperature of the cold-side material region 121 is then compensated during operation of the combustion chamber by its thermal expansion coefficient, which is higher in comparison with the hot-side material region 119. Stress due to the temperature gradient can therefore be reliably avoided.

Eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes ist in Figur 4 im Schnitt dargestellt. Der Schnitt verläuft entlang der in Figur 1 dargestellten Linie A-A. Entsprechend sind die Kaltseite 213, die Heißseite 215 und die nutfreien Umfangsflächen 217 des Hitzeschildelementes 210 zu erkennen. Das Hitzeschildelement 210 weist einen ersten, heißseitigen Materialbereich 219 mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten, umfangsseitige zweite Materialbereiche 221 mit einem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten und einen kaltseitigen Materialbereich 223 mit einem dritten thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Dabei können der zweite und der dritte thermische Ausdehnungskoeffizient auch identisch sein. Durch geeignete Wahl der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Materialbereiche können Spannungen, die aufgrund von Temperaturgradienten im Inneren des Hitzeschildelementes 210 auftreten, zuverlässig minimiert werden.A third embodiment of the heat shield element according to the invention is shown in Figure 4 in section. The section runs along the line AA shown in FIG. Accordingly, the cold side 213, the hot side 215 and the groove-free peripheral surfaces 217 of the heat shield element 210 can be seen. The heat shield element 210 has a first, hot-side material region 219 having a first coefficient of thermal expansion, peripheral second material regions 221 having a second thermal expansion coefficient, and a cold-side material region 223 having a third coefficient of thermal expansion. there the second and third thermal expansion coefficients may also be identical. By a suitable choice of the thermal expansion coefficients of the individual material regions, stresses that occur due to temperature gradients in the interior of the heat shield element 210 can be reliably minimized.

Weitere Kombinationen von Materialbreichen mit voneinander verschiedenen thermischen und/oder mechanischen Eigenschaften sind möglich, bspw. eine Kombination aus allen in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen erwähnten Materialbereichen.Further combinations of material areas with mutually different thermal and / or mechanical properties are possible, for example a combination of all the material areas mentioned in the exemplary embodiments described above.

In allen drei hier dargestellten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes liegen relativ abrupte Übergänge zwischen den verschiedenen Materialbereichen und damit relativ abrupte Übergänge zwischen verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten vor. Die Bereiche mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten sollten jedoch möglichst nicht in Form von scharfen Grenzen der Materialeigenschaften, sondern vielmehr in Form fließender Übergänge der Materialeigenschaften vorliegen, um der Gefahr einer Zerstörung des Hitzeschildes während des Herstellungsprozesses, insbesondere während des Sinterns, das bei erhöhter, weitgehend homogener Temperatur stattfindet, zu vermeiden.In all three embodiments of the heat shield element according to the invention shown here, there are relatively abrupt transitions between the different material regions and thus relatively abrupt transitions between different thermal expansion coefficients. However, the regions with different coefficients of expansion should preferably not be in the form of sharp boundaries of material properties, but rather in the form of smooth transitions of the material properties, the risk of destruction of the heat shield during the manufacturing process, especially during sintering, at elevated, substantially homogeneous temperature takes place, to avoid.

Es kann für den jeweiligen Anwendungsfall rechnerisch bestimmt und optimiert werden, wie die Variation des thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgeführt werden muss, damit weder eine Zerstörung des Hitzeschildelementes während des Sintervorgangs droht, gleichzeitig aber eine optimale Wirkung zum Vermeiden der Spannungsbildung im Betriebszustand erreicht wird. Hieraus kann beispielsweise eine optimale Guss- bzw. Pressform für die Herstellung eines Grünlings, das heißt einer Vorstufe des Hitzeschildelementes aus einem polymerkeramischen Material, in welchem eine Teilvernetzung des Polymers vorliegt, abgeleitet werden. Eventuelle Formänderungen des Hitzeschildelementes während des Sinterprozesses können so kompensiert werden.It can be computationally determined and optimized for the particular application, as the variation of the thermal expansion coefficient must be performed so that neither threatens destruction of the heat shield element during the sintering process, but at the same time an optimal effect to avoid the formation of stress is achieved in the operating condition. From this, for example, an optimum casting or pressing mold for the production of a green body, that is to say a precursor of the heat shield element made of a polymer-ceramic material in which a partial crosslinking of the polymer is present, can be derived. Possible changes in shape of the heat shield element during the sintering process can thus be compensated.

Ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes wird nachfolgen mit Bezug auf die Figuren 5a und 5b beschrieben. Die Figur 5a zeigt einen ersten Schritt des Herstellungsverfahrens, Figur 5b eine zweiten Schritt. Das Verfahren umfasst das Gießen von Materialmischungen in eine Gießform 340, um so einen Grünling zu formen, und ein anschließendes Sintern des Grünlings zum Fertigstellen des keramischen Hitzeschildelementes.An exemplary embodiment of a method for producing a heat shield element according to the invention will be described below with reference to FIGS. 5a and 5b. FIG. 5a shows a first step of the production method, FIG. 5b shows a second step. The method comprises casting material mixtures into a mold 340 so as to form a green body, and then sintering the greenware to complete the ceramic heat shield element.

Das Gießen der Materialmischungen ist in den Figuren 5a und 5b dargestellt. Zuerst wird eine Materialmischung 321 mit einer ersten Zusammensetzung in die Gießform 340 gegossen (Fig. 5a). Danach wird eine Materialmischung 319 mit einer zweiten Zusammensetzung über die erste Materialmischung 321 gegossen. Die Konsistenz der Materialmischungen ist dabei derart, dass keine vollständige Vermischung der beiden Materialmischungen eintritt. Eine Mischung im Bereich der Grenzfläche 320 ist jedoch erwünscht.The casting of the material mixtures is shown in FIGS. 5a and 5b. First, a material mixture 321 having a first composition is poured into the mold 340 (FIG. 5a). Thereafter, a material mixture 319 having a second composition is poured over the first material mixture 321. The consistency of the material mixtures is such that no complete mixing of the two material mixtures occurs. However, mixing at the interface 320 is desirable.

Die Zusammensetzungen der Materialmischungen 319 bzw. 321 sind so gewählt, dass die Materialmischung 319 nach dem Sintern einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als die Materialmischung 321.The compositions of the material mixtures 319 and 321 are selected such that the material mixture 319 has a lower coefficient of thermal expansion after the sintering than the material mixture 321.

Obwohl beim beschriebenen Herstellungsverfahren eine Vermischung der Materialmischungen 319, 321 im Bereich der Grenzfläche 320 erwünscht ist, kann jedoch auch ohne eine derartige Vermischung ein erfindungsgemäßes Hitzeschildelement hergestellt werden. Nach dem Sintern des gegossenen Hitzeschildelementes erhält man ein Hitzeschildelement, wie es in Figur 3 dargestellt ist.Although mixing of the material mixtures 319, 321 in the region of the interface 320 is desired in the described production method, however, it is also possible to produce a heat shield element according to the invention without such mixing. After sintering the cast heat shield element, a heat shield element is obtained, as shown in FIG.

In der mit Bezug auf die Figuren 5b und 5b beschriebenen Variante des Gießens eines erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes wird dieses liegend gegossen, d.h. entweder der zum Formen der Heißseite dienende Teil der Gießform oder der zum Formen der Kaltseite dienende Teil der Gießform, stellt die Unterseite der Gießform dar. In den Figuren 5a und 5b stellt bspw. der zum Formen der Kaltseite dienende Teil der Gießform die Unterseite dar.In the described with reference to Figures 5b and 5b variant of the casting of a heat shield element according to the invention if this is poured horizontally, ie either the molding of the hot side serving part of the mold or the forming of the cold side serving part of the mold, represents the bottom of the mold. In Figures 5a and 5b, for example, which serves to form the cold side part the mold is the bottom.

In einer alternativen Variante des Gießens erfolgt das Gießen des Hitzeschildelementes bei stehender Gießform, d.h. derjenige Teil der Gießform, welcher die Kaltseite formt und derjenige Teil der Gießform, welcher die Heisseite formt, sind Seitenwände der Gießform, wohingegen die Unterseite der Gießform ein Teil der Form ist, welcher eine der Umfangsflächen des Hitzeschildelementes formt. Diese Variante des Gießens ist in Fig. 5c dargestellt, die eine stehende Gießform in Draufsicht zeigt. In der stehenden Gießform 345 können Schablonen 346, 347 dazu dienen, verschiedene Bereiche 348, 349, 350 der Gießform 345 voneinander abzutrennen. In die verschiedenen Bereiche der 348, 349, 350 werden unterschiedliche Materialmischungen gegossen. Mit der Form aus Fig. 5c können bspw. drei verschiedene Materialmischungen zum Einsatz kommen, nämlich eine für die Bereiche 348, eine für den Bereich 349 und eine für den Bereich 350. Es ist aber auch möglich für die beiden voneinander getrennten Abschnitte 348 ebenfalls unterschiedliche Materialmischungen zu verwenden, so dass insgesamt vier Materialmischungen zur Anwendung kommen. Zusätzlich können, wie mit Bezug auf die Figuren 5a und 5b beschrieben, in einen Bereich auch nacheinander verschiedene Materialmischungen eingefüllt werden.In an alternative variant of the casting, the casting of the heat shield element takes place when the casting mold is stationary, i. that part of the mold which forms the cold side and that part of the mold which forms the hot side are side walls of the mold, whereas the bottom of the mold is a part of the mold which forms one of the peripheral surfaces of the heat shield element. This variant of the casting is shown in Fig. 5c, which shows a standing mold in plan view. In the standing mold 345, templates 346, 347 may serve to separate different portions 348, 349, 350 of the mold 345 from each other. In the different areas of the 348, 349, 350 different material mixtures are poured. For example, three different material mixtures can be used with the mold of FIG. 5c, namely one for the regions 348, one for the region 349 and one for the region 350. However, it is also possible for the two separate sections 348 also different To use material mixtures, so that a total of four material mixtures are used. In addition, as described with reference to FIGS. 5a and 5b, different material mixtures can also be successively filled in one area.

Nach dem Gießen werden die Schablonen entfernt, um eine Verbindung der gegossenen Materialmischungen herbeizuführen. Auch hier ist die Konsistenz der Materialmischungen derart gewählt, dass im Bereich der Grenzflächen nach dem Entfernen der Schablonen eine Vermischung der Materialmischungen erfolgt.After casting, the templates are removed to effect bonding of the cast material mixes. Again, the consistency of the material mixtures is selected such that in the region of the interfaces after the removal of the templates, a mixing of the material mixtures.

Selbstverständlich ist das Verwenden von Schablonen zum Unterteilen der Gießform in unterschiedliche Materialbereiche auch bei liegender Geißform möglich.Of course, it is possible to use templates for dividing the casting mold into different material regions, even when the die is lying.

Ein zweites Herstellungsverfahren für erfindungsgemäße Hitzeschildelemente wird nun mit Bezug auf die Figuren 6a und 6b beschrieben. In diesem Verfahren wird eine Materialmischung 419 in eine Pressform 440, 450 gegeben und anschließend verpresst. Das Ergebnis ist eine Grünling 410 des Hitzeschildelementes. Dieser Grünling 410 ist in Figur 6b dargestellt. Es sind die Heißseite 413, die Kaltseite 415 sowie die nutfreien Umfangsflächen 417 des Grünlings 410 zu erkennen. Im Bereich der nutfreien Umfangsflächen 417 erfolgt ein Tränken des Grünlings 410 mit einer den Sintervorgang beeinflussenden Flüssigkeit. Die Flüssigkeit ist so gewählt, dass die getränkten Bereiche 421 nach dem Sintern einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen als der nicht getränkte Bereich 419.A second manufacturing method for heat shield elements according to the invention will now be described with reference to FIGS. 6a and 6b. In this process, a material mixture 419 is placed in a mold 440, 450 and then pressed. The result is a green body 410 of the heat shield element. This green compact 410 is shown in FIG. 6b. It can be seen the hot side 413, the cold side 415 and the groove-free peripheral surfaces 417 of the green body 410. In the area of the groove-free peripheral surfaces 417, the green body 410 is impregnated with a liquid which influences the sintering process. The liquid is selected such that the impregnated regions 421 after sintering have a higher coefficient of thermal expansion than the non-impregnated region 419.

Optional können auch die mit Nuten versehenen Umfangsflächen des Grünlings 410 (in Fig. 6b nicht zu erkennen) getränkt werden, um den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der entsprechenden Bereiche zu erhöhen. Das Ergebnis des mit Bezug auf die Figuren 6a und 6b beschriebenen Verfahrens ist ein Hitzeschildelement, wie es in Figur 2 dargestellt ist.Optionally, the grooved circumferential surfaces of the green body 410 (not visible in FIG. 6b) may also be soaked to increase the thermal expansion coefficient of the respective regions. The result of the method described with reference to FIGS. 6a and 6b is a heat shield element as shown in FIG.

Auch beim Pressen des Hitzeschildelementes kann die Form liegend oder stehend gefüllt werden und das Einfüllen von Materialmischungen unter Verwendung von Schablonen erfolgen. Die Pressform kann dabei - wie übrigens auch die Gießform beim Gießen eines Hitzeschildelementes - unter beliebigem Winkel aufgestellt bzw. gefüllt werden.Even when pressing the heat shield element, the mold can be filled horizontally or vertically and the filling of material mixtures done using templates. The mold can thereby - as well as the mold when pouring a heat shield element - are placed or filled at any angle.

Zwar ist mit Bezug auf die Figuren 5a und 5b beispielhaft das Herstellen eines Hitzeschildelementes, wie es in Figur 3 dargestellt ist, beschrieben, jedoch ist es auch möglich, mit demselben Verfahren Hitzeschildelemente, wie sie in den Figuren 2 oder 4 dargestellt sind, herzustellen. Gleiches gilt für das Verfahren, welches mit Bezug auf die Figuren 6a und 6b beschrieben worden ist. Auch mit diesem Verfahren ist es nicht nur möglich, ein Hitzeschildelement wie es mit Bezug auf Figur 2 beschrieben ist, herzustellen. Vielmehr ist es mit diesem Verfahren auch möglich, Hitzeschildelemente, wie sie in den Figuren 3 oder 4 dargestellt sind, herzustellen.Although the manufacture of a heat shield element as shown in FIG. 3 is described by way of example with reference to FIGS. 5a and 5b, it is also possible with the same method to use heat shield elements as shown in FIGS 2 or 4 are shown to produce. The same applies to the method which has been described with reference to FIGS. 6a and 6b. Even with this method, it is not only possible to produce a heat shield element as described with reference to FIG. Rather, it is also possible with this method to produce heat shield elements, as shown in Figures 3 or 4.

Claims (13)

Hitzeschildelement mit - einer einem heißen Medium zuzuwendenden Heißseite (3, 13, 11, 213), - einer dem heißen Medium abzuwendenden Kaltseite (5, 15, 115, 215), - die Heißseite (3, 13, 113, 213) mit der Kaltseite (5, 15, 115, 215) verbindenden Umfangsflächen (7, 17,117, 217, 9) und - einem von der Heißseite (3, 13, 113, 213), der Kaltseite (5, 15, 115, 215) und den Umfangsflächen (7, 17, 117, 217, 9) begrenzten Materialvolumen, dadurch gekenn- zeichnet , dass das Materialvolumen mindestens zwei Materialbereiche (19, 21, 119, 121, 219, 221, 223) umfasst, welche sich in ihren thermischen Ausdehnungskoeffizienten voneinander unterschieden. Heat shield element with a hot side (3, 13, 11, 213) facing a hot medium, a cold side (5, 15, 115, 215) to be averted from the hot medium, - The hot side (3, 13, 113, 213) with the cold side (5, 15, 115, 215) connecting circumferential surfaces (7, 17,117, 217, 9) and - one of the hot side (3, 13, 113, 213), the cold side (5, 15, 115, 215) and the peripheral surfaces (7, 17, 117, 217, 9) limited volume of material, marked thereby characterized, that the Volume of material at least two material areas (19, 21, 119, 121, 219, 221, 223) comprises, which differ from each other in their thermal expansion coefficients. Hitzeschildelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für relativ hohe Betriebstemperaturen vorgesehene Materialbereiche (19, 119, 219) einen relativ niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, wohingegen für relativ niedrige Betriebstemperaturen vorgesehene Materialbereiche (21, 121, 221, 223) einen relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.Heat shield element according to claim 1, characterized in that provided for relatively high operating temperatures material regions (19, 119, 219) have a relatively low coefficient of thermal expansion, whereas provided for relatively low operating temperatures material regions (21, 121, 221, 223) has a relatively high coefficient of thermal expansion exhibit. Hitzeschildelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Materialbereich (119, 219) mit relativ niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten an die Heißseite (113, 213) angrenzt und mindestens ein Materialbereich (121, 223) mit relativ hohem thermischen Ausdehnungskoeffizienten an die Kaltseite (115, 215) angrenzt.Heat shield element according to Claim 2, characterized in that at least one material region (119, 219) with a relatively low coefficient of thermal expansion adjoins the hot side (113, 213) and at least one material region (121, 223) with a relatively high thermal expansion coefficient is applied to the cold side (115 , 215) adjoins. Hitzeschildelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Materialbereich (21, 221)mit relativ hohem thermischen Ausdehnungskoeffizienten an die Umfangsflächen (17, 217) angrenzt und wenigstens ein Materialbereich (19, 219)mit relativ niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von den Umfangsflächen (17, 217) aus gesehen in Inneren des Materialvolumens angeordnet ist.Heat shield element according to claim 2 or 3, characterized in that at least one material region (21, 221) with a relatively high coefficient of thermal expansion adjoins the peripheral surfaces (17, 217) and at least one material region (19, 219) with a relatively low coefficient of thermal expansion is seen from the peripheral surfaces (17, 217) arranged in the interior of the material volume. Hitzeschildelement nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass einander benachbarte Materialbereiche mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten derart ausgestaltet sind, dass in der Zone des Übergangs von dem einen Materialbereich zum anderen Materialbereich ein fließender Übergang von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des einen Materialbereiches zu dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des anderen Materialbereiches stattfindet .Heat shield element according to one of the preceding claims,
characterized in that adjacent material areas are designed with different coefficients of thermal expansion such that takes place in the zone of the transition from the one material region to the other material region, a smooth transition from the coefficient of thermal expansion of one material region to the thermal expansion coefficient of the other material region. Hitzeschildelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Ausgestaltung als keramisches Hitzeschildelement.Heat shield element according to one of the preceding claims, characterized by its design as a ceramic heat shield element. Heisgasauskleidung, insbesondere für eine Gasturbinenbrennkammer, mit einer Anzahl von unter Dehnspaltbelassung an ihren Umfangsflächen aneinander angrenzenden Hitzeschildelementen (1) und einer Sperrfluidzufuhr zum Zuführen eines die Dehnspalte gegen den Eintritt von heißem Medium sperrenden Sperrfluidstroms in die Dehnspalte, dadurch gekennzeichnet , dass die Hitzeschildelemente (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgestaltet sind.A hot gas lining, in particular for a gas turbine combustion chamber, having a number of heat shield elements (1) adjoining one another at their peripheral surfaces and a barrier fluid supply for supplying a barrier fluid flow blocking the expansion gaps against the entry of hot medium into the expansion gaps, characterized in that the heat shield elements (1 ) are configured according to one of claims 1 to 6. Brennkammer, insbesondere Gasturbinenbrennkammer, mit einer Heisgasauskleidung nach Anspruch 7.Combustion chamber, in particular gas turbine combustion chamber, with a hot gas lining according to claim 7. Verfahren zum Herstellen eines keramischen Hitzeschildelementes, insbesondere eines Hitzeschildelementes nach Anspruch 6, bei dem ein Pressen oder Gießen einer Grundmaterialmischung 319, 321)und ein anschließendes Sintern der gepressten bzw. gegossenen Grundmaterialmischung (319, 321) erfolgt, dadurch gekennzeichnet , dass vor dem Sintern der gepressten bzw. gegossenen Grundmaterialmischung (319, 321) ein Einstellen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten verschiedener Materialbereiche erfolgt.A method of manufacturing a ceramic heat shield element, in particular a heat shield element according to claim 6, wherein a pressing or casting of a base material mixture 319, 321) and a subsequent sintering of the pressed base material mixture (319, 321), characterized in that prior to sintering the pressed base material mixture (319, 321), the thermal expansion coefficients of different material areas are adjusted. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Einstellen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten erfolgt, indem beim Pressen oder Gießen für die entsprechenden Materialbereiche Grundmaterialmischungen (319, 321) mit unterschiedlichen Zusammensetzungen Verwendung finden.A method according to claim 9, characterized in that adjustment of the thermal expansion coefficients takes place by using molding mixtures (319, 321) with different compositions during pressing or casting for the corresponding material areas. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass beim Pressen oder Gießen benachbarter Materialbereiche die Zusammensetzung der Grundmaterialmischung (319, 321) fließend von der einen zur anderen Zusammensetzung umgestellt wird.A method according to claim 10, characterized in that when pressing or casting adjacent material areas, the composition of the base material mixture (319, 321) is changed over from one to the other composition. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Einstellen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten erfolgt indem nach dem Pressen oder Gießen der Grundmaterialmischung (419) und vor dem Sintern ein Nachbehandeln mindestens eines Materialbereiches (421), welcher nach dem Sintern einen gegenüber dem Rest der Grundmaterialmischung (419) veränderten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen soll, erfolgt.Method according to one of claims 9 to 11, characterized in that adjustment of the thermal expansion coefficients takes place after after pressing or casting of the base material mixture (419) and before sintering a post-treatment of at least one material region (421), which after sintering one over the rest the base material mixture (419) is to have changed thermal expansion coefficients takes place. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachbehandeln erfolgt indem der mindestens eine nachzubehandelnde Materialbereich (421) mit einer Flüssigkeit getränkt wird.A method according to claim 12, characterized in that the post-treatment takes place by the at least one nachzubehandelnde material region (421) is impregnated with a liquid.
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