WO2002025173A1 - Hitzeschildstein, brennkammer mit einer inneren brennkammerauskleidung sowie gasturbine - Google Patents

Hitzeschildstein, brennkammer mit einer inneren brennkammerauskleidung sowie gasturbine Download PDF

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WO2002025173A1
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heat shield
combustion chamber
shield brick
brick
wall
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PCT/EP2001/010790
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Daniel Hofmann
Paul-Heinz Jeppel
Hans Maghon
Uwe Rettig
Milan Schmahl
Christine Taut
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F23R3/002—Wall structures
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    • 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
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    • F27D1/0033—Linings or walls comprising heat shields, e.g. heat shieldsd
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    • F27D1/04—Casings; Linings; Walls; Roofs characterised by the form, e.g. shape of the bricks or blocks used
    • F27D1/06—Composite bricks or blocks, e.g. panels, modules
    • F27D1/063—Individual composite bricks or blocks

Definitions

  • the invention relates to a heat shield block, in particular for lining a combustion chamber wall, with a hot medium can be exposed to the hot side, one of the hot wall side opposite and adjacent to the hot side and the wall side "peripheral side having a peripheral side surface.
  • The', '' invention relates to further comprising a combustion chamber with an interior; combustor liner 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 of a gas turbine, in which a hot medium is generated and / or guided, is provided with a suitable 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 fastening ceramic lining elements to a wall of an oven.
  • a rail system which is fastened to the wall and has a plurality of ceramic rail elements, is provided. Thanks to the rail system, the lining elements can be held on the wall. Additional ceramic layers can be provided between a lining element and the wall of the furnace, including a layer of loose, partially compressed ceramic fibers, this layer having at least approximately the same thickness as the ceramic lining elements or a greater thickness.
  • the lining elements have a rectangular shape with a planar surface and consist of a heat-insulating refractory ceramic fiber material.
  • U.S. Patent 4,835,831 also deals with the application of a refractory lining to a wall of an oven, particularly a vertically arranged wall.
  • a layer of glass, ceramic or mineral fibers is applied to the metal wall of the furnace. This layer is attached to the wall using metal clips or glue.
  • a wire mesh network with honeycomb-shaped meshes is fanned out on this layer. The mesh network also serves to secure the layer of ceramic fibers against falling.
  • a suitable spraying method a uniform, closed surface made of refractory material is applied to the layer thus fastened. The method described 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 silicon carbide (SiC) or silicon nitride (SiN 4 ).
  • the wall elements are mechanically and resiliently attached 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 thicker than the wall element, consists of ceramic fiber material that is prefabricated in blocks.
  • the Dimensions and external shape . the wall elements can be adapted to the geometry of the room to be lined.
  • the lining consists of heat shield elements that are mechanically held on a metallic wall of the combustion chamber.
  • the heat shield elements directly touch the metallic wall. To avoid excessive heating of the wall, e.g. as a result of a direct
  • the sealing air prevents the penetration of hot medium up to the wall and simultaneously 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 is filled with a hot fluid, e.g. a hot gas, can be acted upon, with a metallic support structure and a heat protection element attached to the metallic support structure. Between the metallic support structure and that
  • a deformable separating layer is inserted in the heat protection element, which should absorb and compensate for possible relative movements of the heat protection element and the supporting 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 or by pulsations in the combustion chamber, which can occur in the event of irregular combustion to generate the hot working medium or by resonance effects.
  • the separating layer causes the relatively inelastic heat protection element as a whole lies flat on the separating layer and the metallic support structure, since the heat protection 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 protection element, which can lead to an unfavorable selective force input locally.
  • the invention is based on the observation that, in particular ceramic, heat shield stones due to their necessary flexibility with regard to thermal
  • Extensions are often insufficiently secured against mechanical loads such as shocks or vibrations.
  • the invention is accordingly based on the object of specifying a heat shield brick which ensures high operational reliability both in terms of unlimited thermal expansion and in terms of stability against mechanical, in particular shock-like, loads.
  • Another object of the invention is to provide a combustion chamber with an internal one
  • Combustion chamber lining and the specification of a gas turbine with a combustion chamber Combustion chamber lining and the specification of 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 exposed to a hot medium, a wall side opposite the hot side and a peripheral side adjacent to the hot side and the wall side and having a peripheral side surface that a tensile element that is prestressed in the circumferential direction is provided on the circumferential side, a compressive stress being generated normal to the circumferential side surface.
  • the invention shows a completely new concept, heat shield stones against high accelerations as a result Securing shocks or vibrations permanently.
  • the invention is based on the knowledge that combustion chamber bricks, as are usually used for lining a combustion chamber wall, are excited to corresponding vibrations by stationary and / or transient vibrations in the combustion chamber wall. In this case, in particular in a resonance case, considerable accelerations can occur above a limit acceleration, the heat shield bricks lifting off the combustion chamber wall and subsequently striking again. Such an impact on the solid or partially damped combustion chamber wall leads to very high forces on the heat shield bricks and can lead to considerable damage, for example breakage thereof.
  • there is the high thermal load on the heat shield brick due to the hot medium being exposed to a hot medium during operation. Cracks can thus occur both on the wall side and on the hot side of the heat shield brick, and there is also the risk of material coming out of the heat shield brick. This leads to a significant one
  • the provision of the tension element on the peripheral side of the heat shield brick advantageously dampens vibrations and / or shock loads with a component normal to the peripheral side surface.
  • the damping constant can be set in accordance with the loads that occur.
  • shock loads normal to the circumferential side surface can occur, for example, when several heat shield stones are arranged as a result of the relative movement of adjacent heat shield stones. This damping ensures a longer use of the heat shield brick.
  • the design of the heat shield brick with the tension element also has the advantage of problem-free prefabrication and simple assembly of the heat shield brick, for example for assembly in one Combustion chamber wall.
  • the tension element is simply attached to the circumferential side and pretensioned in the circumferential direction as required.
  • Separate damping and / or securing elements as can also be found in conventional heat shield bricks, require a considerably greater assembly and adjustment effort than the heat shield brick of the invention. In the event of a revision, only the heat shield brick may have to be replaced, but not additional securing elements. This high flexibility on the one hand and the achievable
  • Durability of the heat shield brick is also of particular advantage from an economic point of view.
  • inspection or maintenance intervals for the heat shield brick for example when used in a combustion chamber of a gas turbine, are extended.
  • operation for the revision of the system does not have to be stopped immediately because, due to the increased passive safety, continued operation is possible up to the regular revision interval or beyond.
  • the compressive stress that is generated normal to the circumferential side surface can be adjusted by appropriately pretensioning the tension element.
  • the tension element extends at least in regions in the circumferential direction. Due to the respective geometry of the heat shield brick, for example in the form of prisms with a polygonal base, the
  • a plurality of tension elements are preferably provided.
  • the circumferential side can be made very flexible by using several tension elements.
  • critical areas of the heat shield brick for example corners or edges, in which a tearing or breakthrough or a removal of any fragments could be expected, can be specifically secured. This further increases the operational safety of the heat shield brick.
  • a tension element completely surrounds the peripheral side surface. This configuration ensures a securing normal force on the circumferential side surface over the entire circumference of the heat shield brick. A closed ring closure is achieved, so to speak, with the
  • Heat shield stone as a whole is advantageously passively secured in an advantageous manner by the forces directed locally into the interior of the heat shield stone.
  • Such a tension element, which completely encloses the peripheral side surface can guarantee this.
  • the tension element preferably encloses the peripheral surface several times. A multiple enclosing the circumferential surface
  • the tensile element increases the securing effect of the tensile element correspondingly many times, whereby the securing forces directed normally to the circumferential side surface increase.
  • the tension element forms, so to speak, a multiple reinforcement of the heat shield brick on the peripheral side.
  • the peripheral side has a peripheral groove in which the tension element engages.
  • the circumferential groove is advantageously formed over the entire circumference on the circumferential side, for example by appropriate material-removing processing of the heat shield brick or by shaping the circumferential groove when producing the heat shield brick from a, for example ceramic, molding compound.
  • the engagement of the tension element in the circumferential groove is a very effective one
  • the tension element in the circumferential groove being additionally protected against direct exposure to a hot gas, as is provided in the operating case.
  • the circumferential groove forms a fall-out protection for the tensile element or, if several tensile elements are used, for the tensile elements engaging in the circumferential groove.
  • the circumferential groove advantageously extends over the entire circumference of the
  • the circumferential groove is not formed over the full circumference of the heat shield brick, but rather only in a selectable partial area on the circumferential side.
  • At least one further circumferential groove is provided, which is spaced apart from the circumferential groove, a tension element engaging in the further circumferential groove.
  • the circumferential groove can be provided, for example, on the end of the circumferential side facing the hot side of the combustion chamber brick, while the further circumferential groove is provided on the end of the circumferential side facing the wall side. Multiple securing with circumferential grooves, in which at least one tension element engages, is hereby ensured, the advantages mentioned for a circumferential groove being correspondingly more pronounced.
  • the tension element is preferably designed as a cord or band, in particular braided or woven. In order to apply an adjustable tensile force by means of pretension, the cord or band optionally has a certain elasticity.
  • a wire or a wire mesh can also be used as a tension element.
  • largely conventionally available preliminary products can be used for the traction element, which facilitates the implementation of the heat shield brick with the traction element and also makes the use of it seem very interesting in terms of cost.
  • the traction elements in the form of a cord or one
  • Tapes that are braided or woven, for example, can be easily applied to existing conventional heat shield stones.
  • the tension element consists of a ceramic material, in particular of a ceramic fiber material.
  • Ceramic material is resistant to high temperatures and is resistant to oxidation and / or corrosion and is therefore ideally suited for use with a heat shield brick in a combustion chamber.
  • Cords and / or tapes preferably consist of ceramic fibers which are suitable for use at up to 1200 ° C.
  • the chemical composition of these fibers is, for example, 62% by weight of A1 2 0 3 , 24% by weight of Si0 2 and 14% by weight of B 2 0 3 .
  • the fibers are composed of a large number of individual filaments, the filaments having a diameter of approximately 10 to 12 ⁇ m.
  • the maximum crystallite size for these ceramic fibers is typically 500 nm.
  • the ceramic fiber material can be used to easily produce fabrics, knitted fabrics or braids of the desired size and thickness, or else cords or ribbons. With such a tension element ensures permanent securing of the heat shield brick even at very high operating temperatures, such as occur, for example, in a combustion chamber of a gas turbine.
  • the tension element is preferably at least partially glued to the heat shield brick.
  • the glue provides additional securing of the tension element against a possible one. Removal achieved and durability increased accordingly.
  • both a conventional adhesive and a high-temperature-resistant adhesive can be used.
  • Silicate-based adhesives can also be used, which have excellent adhesive properties and great temperature resistance.
  • the use of ceramic or metallic materials for the tension element, in particular in the case of a ceramic cord or a ceramic tape, has proven to be particularly advantageous because this has a certain air permeability (porosity) due to the fabric structure, which means that the tension element is well connected to the Heat shield stone transported.
  • the gluing is particularly effective if the configuration is selected with a circumferential groove in which a tension element engages.
  • the adhesive can be let into the circumferential groove for gluing, as a result of which a particularly secure connection can be established.
  • the adhesive can be introduced locally at various points in the circumferential groove or can partially or completely wet the circumferential groove, for example in the groove base.
  • the traction element becomes, as it were, an integral part of the heat shield brick due to the gluing, the gluing being releasable or, if desired, non-releasable for a revision case.
  • 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 up to guaranteed very high temperatures, while at the same time oxidative and / or corrosive attacks, such as occur when the hot side of the heat shield brick is exposed to a hot medium, for example a hot gas, are largely harmless to the heat shield brick.
  • the tension element can be easily connected to the ceramic base material of the heat shield brick.
  • the fixed connection can also be designed as a releasable connection.
  • the attachment of the tension element by means of suitable fastening elements on the circumferential side is also possible.
  • a tension element which at least partially consists of a ceramic material, a good adaptation to the ceramic base material of the
  • Heat shield stone achieved in terms of thermomechanical properties. Due to the fixed connection of the tension element to the base material, the heat shield brick is advantageously designed in a kind of composite with the tension element. This results in a compact design and structure of the heat shield brick, which has an extraordinarily high durability and passive safety even with high thermal and / or mechanical loads. This is a particularly great advantage when using the heat shield brick in a combustion chamber, because even after a crack or material tear, the heat shield function of the heat shield brick is still guaranteed, and in particular no fragments can get into the combustion chamber.
  • 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 increased passive safety with the pulling element.
  • 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.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a
  • FIG. 3 shows a perspective view of a heat shield brick modified compared to FIG. 1,
  • FIGS. 4 to 6 each show a view of a heat shield brick with a modified arrangement of the tension element compared to FIGS. 1 to 3,
  • Heat shield stones with circumferential groove, 8 and 9 each show a sectional view of a
  • the heat shield brick 1 shows a perspective view of a heat shield brick 1.
  • the heat shield brick 1 has a hot side 3 and a wall side 5 opposite the hot side 3.
  • a peripheral side 7 of the heat shield brick 1 adjoins the hot side 3 and the wall side 5.
  • the peripheral side 7 has a peripheral side surface 9.
  • the hot side 3 is acted upon by a hot medium, for example a hot gas, when the heat shield brick is used.
  • a tensile element 11 is provided which is prestressed in the circumferential direction.
  • the tension element is prestressed in such a way that a compressive stress is generated normal to the peripheral side surface 9. In order to generate a prestress in the circumferential direction, the tension element can have a certain elasticity. With the tension element 11 is a significant increase in passive safety and thus
  • FIG. 2 which shows a plan view of the heat shield brick shown in FIG. 1 on the hot side 3
  • the tension element 11 is over the full circumference , the heat shield stone 1 attached to the circumferential side.
  • compressive forces S1, S2, S3, S4 are generated normal to the circumferential side surface 9.
  • the compressive forces S1 to S4 are directed inward into the interior of the heat shield brick 1.
  • the heat shield brick 1 is cuboid, here designed with a square base.
  • Material breakout prevents material from coming out of the heat shield brick 1.
  • the durability of the heat shield brick 1 is thereby increased, so that a revision of the heat shield brick 1 is not necessary even in the case of a material breakdown, but the usual revision and maintenance cycles or longer intervals are achieved.
  • the heat shield brick 1 is secured by the pulling element 11, because possible fragments can only be removed from the composite of the heat shield brick 1 with a lot of work.
  • the compressive forces S1 to S4 induced by the tension element 11 hold the heat shield brick 1 together permanently.
  • the tension element 11 is in the present example of a band-shaped geometry.
  • the tension element 11 can in particular be braided or woven.
  • FIG. 3 shows a perspective view of a heat shield brick 1, the heat shield brick 1 having a first tension element 11A and a second tension element 11B compared to the illustration in FIG. 1.
  • the tension elements 11A, 11B are provided on the circumferential side 7 and are prestressed in the circumferential direction, so that a compressive stress is generated normal to the circumferential side surface 9.
  • the first Traction element 11A is arranged on the end of the peripheral side 7 facing the hot side 3.
  • the tension element 11B is arranged at the end of the peripheral side 7 assigned to the wall side 5.
  • Tension elements 11A, 11B can be safely avoided both in the area of the hot side 3 and in the area of the wall side 5 due to the compressive forces normal to the circumferential side surface 9 and possible breakage due to thermally induced cracking on the wall side 5 or the hot side 3 due to impact fracture.
  • FIGS. 4 to 6 show different views of a heat shield brick 1.
  • 4 shows a first side view
  • FIG. 5 shows a second side view rotated by 90 °
  • FIG. 6 shows a top view of the hot side 3 of the heat shield brick 1.
  • Four tension elements 11A, 11B, 11C, HD are provided, which are each attached to the circumferential side 7 under prestress.
  • Each of the tension elements HA to HD extends over three of the four side surfaces of the cuboid heat shield brick.
  • the tension elements HA, HB are provided on the end of the peripheral side 7 facing the hot side 3.
  • the tension elements HC, HD are arranged on the end of the peripheral side 7 facing the wall side 5.
  • FIG. 7 shows a perspective view of a heat shield brick 1 with respect to FIGS. 1 to 6 modified design.
  • the heat shield brick 1 has a circumferential groove 13 on the circumferential side 7.
  • the circumferential groove 13 is formed over the entire circumference of the heat shield brick 1.
  • a tension element 11 engages in the circumferential groove 13.
  • the tension element 11 in the circumferential groove 13 encloses the
  • Circumferential side surface 9 twice. It is also possible for the tension element 11 to enclose the peripheral side surface 9 several times, in particular three or four times (see FIGS. 8 to 10).
  • the engagement of the tension element 11 in the circumferential groove 13 protects the tension element 11 in addition to increasing the passive safety of the heat shield brick 1. For example, when the heat shield brick 1 is used in a combustion chamber, direct action on the tension element 11 with a hot, corrosive or oxidative gas can be prevented by the engagement in the groove 13.
  • FIGS. 8 and 9 each show a sectional view of a heat shield brick 1.
  • the heat shield brick 1 of FIG. 8 has a circumferential groove 13, while the heat shield brick 1 of FIG. 9 has a circumferential groove 13A and a further circumferential groove 13B.
  • a respective tension element 11, HA, HB engages in the circumferential grooves 13, 13A, 13B.
  • the tension elements HA, HB, HC enclose the peripheral side surface 9 several times.
  • the tension element 11 in the circumferential groove 13 surrounds the circumferential sides 9 in triplicate (FIG 8), while the tension element HA encloses the circumferential side surface 9 in four and the tension element HB in three times.
  • the heat shield brick 1 here consists of a ceramic base material 19, in particular a refractory ceramic.
  • the tension elements 11, HA, HB advantageously also consist of a ceramic material 15, for example a ceramic fiber material, which is braided in the form of a ribbon or cord or woven. This makes it possible to simply wrap the heat shield brick 1 with the tension elements 11, HA, HB by applying a certain pretension in the circumferential direction. The engagement of the tension elements 11, HA, HB in the respective circumferential groove 13, 13A, 13B at the same time secures the tension elements 11, HA, HB against loosening.
  • circumferential groove 13, 13A, 13B can also only partially enclose the circumferential side surface 9.
  • the number and arrangement of circumferential grooves 13, 13A, 13B with tension elements 11, HA, HB engaging therein can be designed depending on the respective geometry and the load case of the heat shield brick 1.
  • FIG. 10 shows an arrangement with a heat shield brick 1 and a further heat shield brick 1A.
  • the heat shield stones 1, 1A have a respective circumferential groove 13, 13A, in which a respective tension element 11, HA engages.
  • each of the tension elements 11, HA is at least partially glued to the respective heat shield block 1.1A by means of an adhesive 45.
  • the adhesive 45 establishes a firm connection of the tension elements 11, HA with the heat shield stones 1.1A in the respective circumferential groove 13.13A.
  • the heat shield brick 1 and the further heat shield brick 1A are arranged to form a gap 35.
  • the gap 35 is closed by the multiple arrangement of the tension elements 11, HA in the circumferential grooves 13, 13 A in such a way that a possible flow when the hot side 3 is acted on a hot medium, for example a hot gas, is largely prevented from an area facing the hot side 3 through the gap 35 to an area assigned to the wall side 5.
  • a hot medium for example a hot gas
  • the heat shield stones 1, 1 A are restricted with respect to relative movements along a horizontal shock axis 47, shock absorption along the horizontal shock axis 47 being additionally achieved by the adjacent tension elements 11, HA of the respective heat shield stones 1, 1A in the area of the gap 35.
  • This is of particular advantage when using the heat shield stones 1.1A in the combustion chamber of a gas turbine, where vibrations can occur as a result of combustion pulsations in the combustion chamber and there is a risk of an impact fracture.
  • FIG. 11 shows a support structure 21, for example a support wall, into which fastening grooves 33 are incorporated.
  • the fastening grooves 33 extend along a groove axis 43 in the support structure 21.
  • the heat shield brick 1 and the further heat shield brick 1A are fastened to the support structure 21 via respective fastening elements 23, the heat shield stones 1, 1A being arranged adjacent to one another along the groove axis 43.
  • the top view in FIG. 11 shows a view of the heat shield stones 1.1A on the hot side 3, which is acted upon by a hot gas, for example a combustion gas, during operation.
  • Each of the heat shield stones 1, 1 A has a respective tension element 11, HA.
  • the tension elements 11, HA engage in a respective one
  • FIG. 12 shows a gas turbine 27 in a highly schematic longitudinal section. The following are arranged in succession along a turbine axis 37: a compressor 39, a combustion chamber 25 and a turbine part 41.
  • the combustion chamber 25 is lined with a combustion chamber lining 29 on the inside.
  • the combustion chamber lining 29 comprises a combustion chamber wall 31, which at the same time has a support structure 21 (cf. also FIG. 11).
  • the combustion chamber lining 29 further comprises heat shield stones 11, HA, HB which are fastened to the support structure 21.
  • the heat shield stones 11, HA, HB are designed in accordance with the above statements.
  • the heat shield stones 11, HA, HB are acted upon by a hot medium M, in particular a hot gas. This leads to considerable thermal loads on the hot side 3 of the heat shield stones 11, HA, HB.
  • there can also be considerable vibrations for example due to combustion chamber hum. In the event of resonance, even sudden acoustic combustion chamber vibrations with large vibration amplitudes can occur.
  • the heat shield bricks 1.1A, 1B which have a tension element 11, HA, HB, are both for exposure to the high temperatures of a hot medium M, for example up to 1400 ° C. in a gas turbine 29, and also for a high mechanical one

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  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Hitzeschildstein (1), insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammerwand, mit einer einem heißen Medium aussetzbaren Heißseite (3), einer der Heißseite (3) gegenüberliegenden Wandseite (5) und einer an die Heißseite (3) und die Wandseite (5) angrenzenden Umfangsseite (7), die eine Umfangsseitenfläche (9) aufweist. An der Umfangsseite (7) ist ein in Umfangsrichtung vorgespanntes Zugelement (11) vorgesehen, wobei eine Druckspannung normal zur Umfangsseitenfläche erzeugt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkammer mit einer Brennkammerauskleidung, die solche Hitzeschildsteine aufweist, sowie eine Gasturbine mit einer Brennkammer.

Description

Hitzeschildstein, Brennkammer mit einer inneren Brennkam erauskleidung sowie Gasturbine
Die Erfindung betrifft einen 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 angrenzenden "Umfangsseite, die eine Umfangsseitenflache aufweist .' Die,,''Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkammer mit einer inneren ; Brennkammerauskleidung sowie eine Gasturbine. •
Ein thermisch und/oder thermomechanisch hoch belasteter Brennraum, wie beispielsweise ein Brennofen, ein Heißgaskanal oder eine Brennkammer einer Gasturbine, in dem ein heißes Medium erzeugt und/oder geführt wird, ist zum Schutz vor zu hoher thermischer Beanspruchung mit einer entsprechenden Auskleidung versehen. Die Auskleidung besteht üblicherweise aus hitzeresistente Material und schützt eine Wandung des Brennraumes vor dem direkten Kontakt mit dem heißen Medium und der damit verbundenen starken thermischen Belastung.
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 und eine Mehrzahl von keramischen Schienenelementen aufweist, vorgesehen. Durch das Schienensystem können die Auskleidungselemente an der Wand gehaltert werden. Zwischen einem Auskleidungselement und der Wand des Ofens können weitere keramische Schichten vorgesehen sein, u.a. eine Schicht aus losen, teilweise komprimierten Keramikfasern, wobei diese Schicht zumindest etwa die selbe Dicke wie die keramischen Auskleidungselemente oder eine größere Dicke aufweist. Die Auskleidungselemente weisen hierbei eine rechteckige Form mit planarer Oberfläche auf und bestehen aus einem Wärmeisolierenden feuerfesten keramischen Fasermaterial.
Die US-Patentschrift 4,835,831 behandelt ebenfalls das Aufbringen einer feuerfesten Auskleidung auf 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 Drahtmaschennetz mit wabenförmigen Maschen aufgebfacht. Das Maschennetz dient ebenfalls der Sicherung der Schicht aus Keramikfasern gegen ein Herabfallen. Auf die so befestigte Schicht wird mittels eines geeigneten Sprühverfahrens 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.
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. Siliciumcarbid (SiC) oder Siliciumnitrid (SiN4) . Die Wandelemente sind mechanisch mittels eines zentralen Befestigungsbolzens federelastisch an einer metallischen Tragstruktur (Wandung) der Brennkammer befestigt. Zwischen dem Wandelement und der Wandung des Brennraumes ist eine Dicke thermische Isolationsschicht vorgesehen, so dass das Wandelement von der Wandung der Brennkammer entsprechend beabstandet ist. Die im Verhältnis zum Wandelement etwa dreimal so dicke Isolationsschicht besteht aus keramischem Fasermaterial, dass in Blöcken vorgefertigt ist. Die Abmessungen und die äußere Form. der Wandelemente sind an die Geometrie des auszukleidenden Raumes anpassbar.
Eine andere Art der Auskleidung eines thermisch hoch belasteten Brennraumes ist in der EP 0 419 487 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 Wandung zu vermeiden, z.B. infolge eines direkten
Wärmeübergangs vom Hitzeschildelement oder durch Einbringen von heißem Medium in die durch die voneinander angrenzenden Hitzeschildelementen gebildeten Spalte, wird der von der Wandung des Brennraumes und dem Hitzeschildelement gebildete Raum mit Kühlluft, der sogenannten Sperrluft beaufschlagt.
Die Sperrluft verhindert das Vordringen von heißem Medium bis zu Wandung und kühlt gleichzeitig die Wandung und das Hitzeschildelement .
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 metallischen Tragstruktur und einem auf der metallischen Tragstruktur befestigten Hitzeschutzelement angegeben. Zwischen die metallische Tragstruktur und das
Hitzeschutzelement wird eine verformbare Trennlage eingefügt, die mögliche Relativbewegungen des Hitzeschutzelements und der Tragstruktur aufnehmen und ausgleichen soll. Solche Relativbewegungen können beispielsweise in der Brennkammer einer Gasturbine, insbesondere einer Ringbrennkammer, durch unterschiedliches Wärmedehnverhalten der verwendeten Materialien oder durch Pulsationen im Brennraum, die bei einer unregelmäßigen Verbrennung zur Erzeugung des heißen Arbeitsmediums oder durch Resonanzeffekte entstehen können, hervorgerufen werden. Zugleich bewirkt die Trennschicht, dass das relativ unelastische Hitzeschutzelement insgesamt flächiger auf der Trennschicht und der metallischen Tragstruktur aufliegt, da das Hitzeschutzelement teilweise in die Trennschicht eindringt. Die Trennschicht kann so fertigungsbedingte Unebenheiten an der Tragstruktur und/oder dem Hitzeschutzelement, die lokal zu einem ungünstigen punktuellen Krafteintrag führen können, ausgleichen.
Die Erfindung geht von der Beobachtung aus, dass, insbesondere keramische, Hitzeschildsteine aufgrund ihrer notwendigen Flexibilität hinsichtlich thermischer
Ausdehnungen häufig nur unzureichend gegenüber mechanischen Belastungen, wie beispielsweise Stöße oder Vibrationen, gesichert sind.
Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, einen Hitzeschildstein anzugeben, welcher sowohl hinsichtlich unbeschränkter thermischer Ausdehnung als auch hinsichtlich der Stabilität gegenüber mechanischen, insbesondere stoßartigen, Belastungen eine hohe Betriebssicherheit gewährleistet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer Brennkammer mit einer inneren
Brennkammerauskleidung sowie die Angabe einer Gasturbine mit einer Brennkammer.
Die auf einen Hitzeschildstein gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen 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 angrenzenden Umfangsseite, die eine Umfangsseitenflache aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Umfangsseite ein in Umfangsrichtung vorgespanntes Zugelement vorgesehen ist, wobei eine Druckspannung normal zur Umfangsseitenflache erzeugt wird.
Mit der Erfindung wird ein völlig neues Konzept aufgezeigt, Hitzeschildsteine gegenüber hohen Beschleunigungen infolge Stößen oder Vibrationen dauerhaft zu sichern. Die Erfindung geht dabei bereits von der Erkenntnis aus, dass Brennkammersteine, wie sie üblicherweise zur Auskleidung einer Brennkammerwand verwendet werden, durch stationäre und/oder transiente Schwingungen in der Brennkammerwand zu entsprechenden Schwingungen angeregt werden. Dabei können, insbesondere in einem Resonanzfall, erhebliche Beschleunigungen oberhalb einer Grenzbeschleunigung auftreten, wobei die Hitzeschildsteine von der Brennkammerwand abheben und in der Folge wieder aufschlagen. Ein solcher Aufschlag auf die massive oder auch teilweise gedämpfte Brennkammerwand führt zu sehr hohen Kräften auf die Hitzeschildsteine und kann zu erheblichen Beschädigungen, z.B. Bruch an diesen führen. Hinzu kommt die große thermische Belastung des Hitzeschildsteins aufgrund der Beaufschlagung des Hitzeschildsteins mit einem heißen Medium im Betrieb. Sowohl auf der Wandseite als auch auf der Heißseite des Hitzeschildsteins können somit Anrisse auftreten, wobei auch die Gefahr eines Herauslösens von Material aus dem Hitzeschildstein besteht. Dies führt zu einer erheblichen
Reduzierung der Dauerhaltbarkeit eines Hitzeschildsteins, vor allem weil solche Anrisse zu einem Materialdurchriss und somit zu einem Bruch und somit Versagen des gesamten Hitzeschildsteins führen können. In der Folge besteht die Gefahr, dass Bruchstücke in den Brennraum gelangen und weitere Bauteile der Brennkammer oder, beispielsweise beim Einsatz in einer Gasturbine, den empfindlichen Beschaufelungsbereich mit Turbinenschaufeln massiv schädigen.
Mit dem vorgeschlagenen Hitzeschildstein mit einem an der Umfangsseite in Umfangsrichtung vorgespannten Zugelement, wird erstmals eine äußerst effiziente und langzeitstabile Sicherung für einen Hitzschildstein angegeben. Das Zugelement ist in Umfangsrichtung vorgespannt, wobei eine gewisse Druckspannung normal zur Umfangsseitenflache erzeugt wird. Durch diese Normalkraft, die in Richtung des Inneren des Hitzeschildsteins in dessen Zentrum gerichtet ist, wird der Hitzeschildstein bereits bei sehr geringen Normalkräften gesichert. Hierdurch wird einem Materialanriss, beispielsweise infolge 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 allem gegenüber einem vollständigen Materialdurchriss. Zusätzlich wird der Gefahr eines
Herauslösens oder Herausfallens von kleineren oder größeren Bruchstücken im Falle eines möglichen Materialdurchrisses wirkungsvoll entgegengetreten.
Durch das Vorsehen des Zugelements an der Umfangsseite des Hitzeschildsteins werden vorteilhafterweise Vibrationen und/oder Stoßbelastungen mit einer Komponente normal zur Umfangsseitenflache gedämpft. Bei entsprechender Ausgestaltung und Materialwahl für das Zugelement kann die Dämpfungskonstante entsprechend den auftretenden Belastungen eingestellt werden. Solche Stoßbelastungen normal zur Umfangsseitenflache können beispielsweise bei der Anordnung mehrerer Hitzeschildsteine infolge der Relativbewegung benachbarter Hitzeschildsteine auftreten. Durch diese Dämpfung kann ein längerer Einsatz des Hitzeschildstein gewährleistet werden.
Von besonderem Vorteil ist die Erhöhung der passiven Sicherheit des Brennkammersteins gegenüber den herkömmlichen Ausgestaltungen. Einem Materialanriss oder -urchriss wird entgegengetreten, wobei im Durchrissfall ein Herauslösen von Bruchstücken des Brennkammerstein weitgehend verhindert wird.
Durch die Ausgestaltung des Hitzeschildstein mit dem Zugelement ergibt sich weiterhin der Vorteil einer problemlosen Vorfertigbarkeit und einfachen Montierbarkeit des Hitzeschildsteins, beispielsweise zur Montage in einer Brennkammerwand. Das Zugelement wird einfach an der Umfangsseite angebracht und in Umfangsrichtung je nach Anforderung vorgespannt. Separate Dämpfungs- und/oder Sicherungselemente, wie sie bei herkömmlichen Hitzeschildsteinen zusätzlich zu finden sind, erfordern gegenüber dem Hitzeschildstein der Erfindung einen erheblich größeren Montage- und Justieraufwand. Bei einer Revision uss gegebenenfalls lediglich der Hitzeschildstein ausgetauscht werden, nicht aber zusätzliche Sicherungselemente. Diese hohe Flexibilität einerseits sowie die erreichbare
Dauerhaltbarkeit des Hitzeschildsteins andererseits sind auch im Hinblick auf wirtschaftliche Gesichtspunkte von besonderem Vorteil. Insbesondere Revisions- oder Wartungsintervalle für den Hitzeschildstein, beispielsweise bei einer Anwendung in einer Brennkammer einer Gasturbine, werden verlängert. Im Falle eines Bruchs eines Hitzeschildsteins muss nicht unmittelbar der Betrieb zur Revision der Anlage eingestellt werden, weil aufgrund der erhöhten passiven Sicherheit ein Weiterbetrieb bis zum turnusgemäßen Revisionsintervall oder darüber hinaus möglich ist.
Vorteilhafterweise ist die Druckspannung, die normal zur Umfangsseitenflache erzeugt wird durch entsprechende Vorspannung des Zugelements einstellbar.
In einer bevorzugten Ausgestaltung erstreckt sich das Zugelement zumindest bereichsweise in Umfangsrichtung. Infolge der jeweiligen Geometrie des Hitzeschildsteins, beispielsweise in Form von Prismen mit einer vieleckigen Grundfläche, können auf der Umfangsseite, die die
Umfangsseitenflache aufweist, verschiedene Bereiche gebildet sein. Damit das Zugelement zur Erhöhung der passiven Sicherheit des Brennkammersteins seine Wirkung voll entfalten kann, ist es sinnvoll, dass das Zugelement sich zumindest bereichsweise, insbesondere auch bereichsübergreifend, in
Umfangsrichtung erstreckt. Somit kann in einem Bereich eine entsprechende Druckspannung normal zur Umfangsseitenflache erzeugt werden.
Vorzugsweise sind mehrere Zugelemente vorgesehen. Die Anordnung und Ausgestaltung der Zugelemente an der
Umfangsseite kann durch die Verwendung mehrerer Zugelemente sehr flexibel vorgenommen werden. Durch die Verwendung mehrerer Zugelemente können kritische Bereiche des Hitzeschildsteins, beispielsweise Ecken oder Kanten, in denen ein Anriss oder Durchbruch oder ein Herauslösen eventueller Bruchstücke zu erwarten wäre, gezielt gesichert werden. Die Betriebssicherheit des Hitzeschildsteins wird hierdurch weiter erhöht.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung umschließt ein Zugelement die Umfangsseitenflache vollständig. Durch diese Konfiguration wird eine sichernde Normalkraft auf die Umfangsseitenflache über den gesamten Umfang des Hitzeschildsteins gewährleistet. Es wird sozusagen ein geschlossener Ringschluss erreicht, wobei der
Hitzeschildstein insgesamt durch die lokal in das Innere des Hitzeschildsteins gerichteten Kräfte in vorteilhafter Weise umfassend passiv gesichert ist. Bereits ein solches Zugelement, welches die Umfangsseitenflache vollständig umschließt, kann dieses gewährleisten. Je nach Belastungsfall sind aber auch mehrere solche vollständig die Umfangsseitenflache umschließende Zugelemente anbringbar.
Bevorzugt umschließt das Zugelement die Umfangsflache mehrfach. Ein mehrfach die Umfangsflache umschließendes
Zugelement verstärkt die Sicherungswirkung des Zugelements entsprechend vielfach, wobei sich die normal zur Umfangsseitenflache gerichteten Sicherungskräfte vergrößern. Durch dieses mehrfach Umschließen bildet das Zugelement sozusagen eine mehrfache Armierung des Hitzeschildsteins an der Umfangsseite. Durch diese Mehrfachsicherung wird eine besonders hohe Betriebssicherheit erreicht mit den bereits weiter oben diskutierten wirtschaftlichen Vorteilen.
Weiter bevorzugt weist die Umfangsseite eine Umfangsnut auf, in die das Zugelement eingreift. Die Umfangsnut ist dabei vorteilhafterweise über den gesamten Umfang auf der Umfangsseite gebildet, beispielsweise durch entsprechende materialabtragende Bearbeitung des Hitzeschildsteins oder durch Ausformen der Umfangsnut beim Herstellen des Hitzeschildsteins aus einer, beispielsweise keramischen, Formmasse. Durch den Eingriff des Zugelements in die Umfangsnut ist eine sehr wirkungsvolle
Hitzeschildsteinsicherung erreicht, wobei zusätzlich das Zugelement in der Umfangsnut vor einer direkten Beaufschlagung mit einem Heißgas, wie es im Betriebsfall vorgesehen ist, geschützt ist. Weiterhin bildet die Umfangsnut eine Herausfallsicherung für das Zugelement oder, sofern mehrere Zugelemente zum Einsatz kommen, für die in die Umfangsnut eingreifenden Zugelemente. Vorteilhafterweise erstreckt sich die Umfangsnut über den gesamten Umfang des
Hitzeschildsteins. In einer alternativen Ausgestaltung ist es jedoch auch möglich, dass die Umfangsnut nicht über den vollen Umfang des Hitzeschildsteins ausgebildet ist, sondern nur in einem jeweils wählbaren Teilbereich der Umfangsseite.
Weiter bevorzugt ist mindestens eine weitere Umfangsnut vorgesehen, die zur Umfangsnut beabstandet ist, wobei ein Zugelement in die weitere Umfangsnut eingreift. Die Umfangsnut kann dabei beispielsweise an dem der Heißseite des Brennkammersteins zugewandten Ende der Umfangsseite vorgesehen sein, während die weitere Umfangsnut an dem der Wandseite zugewandten Ende der Umfangsseite vorgesehen ist. Eine Vielfachsicherung mit Umfangsnuten, in die jeweils zumindest ein Zugelement eingreift, wird hierdurch gewährleistet, wobei die für eine Umfangsnut angesprochenen Vorteile sich entsprechend in verstärkter Weise ergeben. Vorzugsweise ist das Zugelement als Schnur oder Band, insbesondere geflochten oder gewebt, ausgestaltet. Zur Aufbringung einer einstellbaren Zugkraft mittels Vorspannung weist die Schnur oder das Band wahlweise eine gewisse Elastizität auf. Als Zugelement kommt auch ein Draht oder ein Drahtgeflecht in Frage. Somit kann für das Zugelement auf weitgehend konventionell erhältliche Vorprodukte zurückgegriffen werden, was die Realisierung des Hitzeschildsteins mit dem Zugelement erleichtert und auch kostenmäßig den Einsatz in Grenzen sehr interessant erscheinen lasst.
Vorteilhafterweise ist hierbei auch ein Umrüsten herkömmlicher Hitzeschildsteine gemäß dem neuen Konzept möglich. Die Zugelemente in Form einer Schnur oder eines
Bandes, welche beispielsweise geflochten oder gewebt sind, können auf einfache Weise auf vorhandene herkömmliche Hitzeschildsteine aufgebracht werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung besteht das Zugelement aus einem keramischen Material, insbesondere aus einem keramischen Fasermaterial. Keramisches Material ist hochtemperaturfest sowie oxidations- und/oder korrosionsbeständig und eignet sich daher hervorragend für den Einsatz für einen Hitzeschildstein in einer Brennkammer. Schnüre und/oder Bänder bestehen dabei vorzugsweise aus keramischen Fasern, welche für einen Einsatz von bis zu 1200 °C geeignet sind. Die chemische Zusammensetzung dieser Fasern ist beispielsweise 62 Gew.-% A1203, 24 Gew.-% Si02 und 14 Gew.-% B203. Die Fasern sind dabei aus einer Vielzahl einzelner Filamente zusammengesetzt, wobei die Filamente einen Durchmesser von etwa 10 bis 12 μm aufweisen. Die maximale Kristallitgröße beträgt bei diesen Keramikfasern typischerweise 500 nm. Aus dem keramischen Fasermaterial lassen sich auf einfache Weise Gewebe, Gewirke oder Geflechte der gewünschten Größe und Dicke oder auch Schnüre oder Bänder herstellen. Mit einem derart ausgestalteten Zugelement ist eine dauerhafte Sicherung des Hitzeschildsteins auch bei sehr großen Betriebstemperaturen, wie sie beispielsweise in einer Brennkammer einer Gasturbine auftreten, gewährleistet.
Bevorzugt ist das Zugelement zumindest teilweise mit dem Hitzeschildstein verklebt. Durch die Verklebung wird eine zusätzliche Sicherung des Zugelements gegenüber einem möglichen. Herauslösen erreicht und die Dauerhaltbarkeit entsprechend erhöht. Beim Verkleben des Zugelements mit dem Hitzeschildstein, kann sowohl ein konventioneller Klebstoff als auch ein hochtemperaturfester Kleber zum Einsatz kommen. Auch können Kleber auf Silicatbasis zum Einsatz kommen, die hervorragende Klebereigenschaften und eine große Temperaturbeständigkeit aufweisen. Als besonders vorteilhaft erweist sich bei der Verbindung die Verwendung von keramischen oder metallischen Materialien für das Zugelement, insbesondere bei einer keramischen Schnur oder einem keramischen Band, weil dieses aufgrund der Gewebestruktur eine gewisse Luftdurchlässigkeit aufweist (Porosität) , was ein gutes Verbinden des Zugelements mit dem Hitzeschildstein befördert. Die Verklebung ist besonders effektiv, falls die Konfiguration mit einer Umfangsnut gewählt wird, in die ein Zugelement eingreift. Dadurch kann der Kleber zum Verkleben in die Umfangsnut eingelassen werden, wodurch eine besonders sichere Verbindung herstellbar ist. Der Kleber kann dabei sowohl lokal an verschiedenen Stellen der Umfangsnut eingebracht werden oder die Umfangsnut, beispielsweise im Nutgrund, bereichsweise oder vollständig benetzen. Das Zugelement wird durch die Verklebung sozusagen integraler Bestandteil des Hitzeschildsteins, wobei die Verklebung lösbar oder, sofern gewünscht, für einen Revisionsfall unlösbar ausgeführt sein kann.
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. Vorteilhafterweise ist das Zugelement mit dem keramischen Grundmaterial des Hitzeschildsteins gut verbindbar. Die feste Verbindung kann dabei auch, wie bereits oben angesprochen, als lösbare Verbindung ausgestaltet sein. In Frage kommen neben der Verklebung auch das Anbringen des Zugelements mittels geeigneten Befestigungselementen an der Umfangsseite, z.B. durch eine Verklammerung oder durch eine Verschraubung. Durch die Wahl eines Zugelements, welches zumindest teilweise aus einem keramischen Material besteht, ist auch eine gute Anpassung an das keramische Grundmaterial des
Hitzeschildsteins hinsichtlich der thermomechanischen Eigenschaften erreicht. Durch die feste Verbindung des Zugelements mit dem Grundmaterial ist der Hitzeschildstein vorteilhafterweise in einer Art Verbund mit dem Zugelement ausgestaltet. Dadurch ist eine kompakte Bauweise und Struktur des Hitzeschildsteins gegeben, die eine außerordentlich große Dauerhaltbarkeit und passive Sicherheit selbst bei großen thermischen und/oder mechanischen Belastungen aufweist. Dies ist von besonders großem Vorteil beim Einsatz des Hitzeschildsteins in einer Brennkammer, weil selbst nach einem Anriss oder Materialdurchriss die Hitzeschildfunktion des Hitzeschildsteins weiterhin gewährleistet ist, insbesondere sicher keine Bruchstücke in den Brennraum gelangen können.
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 Hitzeschildstein im Fall besonderer Vorkommnisse über
Notlaufeigenschaften, so dass Folgeschäden für eine Turbine, beispielsweise die Beschaufelung, vermieden werden können. Die Brennkammer kann zumindest mit den üblichen Wartungszyklen betrieben werden, wobei aber zudem eine Verlängerung der Standzeiten aufgrund der mit dem Zugelement erhöhten passiven Sicherheit erzielbar ist.
Die auf eine Brennkammer gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Brennkammer mit einer inneren Brennkammerauskleidung, die Hitzeschildsteine gemäß den obigen Ausführungen aufweist.
Die auf eine Gasturbine gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Gasturbine mit einer solchen Brennkammer.
Die Vorteile einer solchen Brennkammer oder einer solchen
Gasturbine ergeben sich entsprechend den Ausführungen zu dem
Hitzeschildstein.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen hierbei schematisch und teilweise vereinfacht:
FIG 1 eine perspektivische Ansicht eines
Hitzeschildsteins mit Zugelement,
FIG 2 eine Draufsicht auf die Heißseite des
Hitzeschildsteins der FIG 1, FIG 3 in einer perspektivischen Darstellung einen gegenüber FIG 1 modifizierten Hitzeschildstein,
FIG 4 bis FIG 6 jeweils eine Ansicht eines Hitzeschildsteins mit gegenüber den Figuren 1 bis 3 modifizierten Anordnung des Zugelements,
FIG 7 eine perspektivische Ansicht eines
Hitzeschildsteins mit Umfangsnut, FIG 8 und FIG 9 jeweils eine Schnittansicht eines
Hitzeschildsteins mit Varianten bezüglich der Umfangsnut,
FIG 10 eine Anordnung mit zwei Hitzeschildsteinen,
FIG 11 eine Draufsicht auf eine Anordnung von
Hitzeschildsteinen an einer Tragwand, und
FIG 12 einen stark vereinfachten Längsschnitt durch eine Gasturbine.
Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.
FIG 1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen Hitzeschildstein 1. Der Hitzeschildstein 1 weist eine Heißseite 3 und eine der Heißseite 3 gegenüberliegende Wandseite 5 auf. An die Heißseite 3 und die Wandseite 5 grenzt eine Umfangsseite 7 des Hitzeschildsteins 1 an. Die Umfangsseite 7 weist eine Umfangsseitenflache 9 auf. Die Heißseite 3 ist beim Einsatz des Hitzeschildsteins mit einem heißen Medium, beispielsweise einem heißen Gas, beaufschlagt. An der Umfangsseite 7 des Hitzeschildsteins 1 ist ein in Umfangsrichtung vorgespanntes Zugelement 11 vorgesehen. Das Zugelement ist derart vorgespannt, dass eine Druckspannung normal zur Umfangsseitenflache 9 erzeugt wird. Zur Erzeugung einer Vorspannung in Umfangsrichtung kann das Zugelement eine gewisse Elastizität aufweisen. Mit dem Zugelement 11 ist eine deutliche Erhöhung der passiven Sicherheit und damit
Dauerhaltbarkeit des Hitzeschildsteins 1 beim Einsatz in einem Brennraum, beispielsweise in der Brennkammer einer Gasturbine, erreicht.
Wie in FIG 2, die eine Draufsicht auf den in FIG 1 dargestellten Hitzeschildstein auf die Heißseite 3 zeigt, verdeutlicht, ist das Zugelement 11 über den vollen Umfang , des Hitzeschildsteins 1 an der Umfangsseite angebracht. Durch die Vorspannung des Zugelements 11 in Umfangsrichtung werden Druckkräfte S1,S2,S3,S4 normal zur Umfangsseitenfl che 9 erzeugt. Die Druckkräfte Sl bis S4 sind dabei einwärts in das Innere des Hitzeschildsteins 1 hinein gerichtet. Im vorliegenden Fall ist der Hitzeschildstein 1 quaderförmig, hier mit einer quadratischen Grundfläche ausgestaltet. Durch den Ringschluss infolge der Anordnung des Zugelements 11 über den gesamten Umfang des Hitzeschildsteins 1 wird auf jede Seitenfläche des quaderförmigen Hitzeschildsteins 1 eine jeweilige resultierende Druckkraft Sl bis S4 erzeugt. Hierdurch ist der Hitzeschildstein 1 gegenüber der Gefahr einer Rissbildung oder Rissausbreitung auf der Heißseite 3, der Wandseite 5 oder der Umfangsseite 7 weitgehend geschützt. Durch den Ringschluss ist vor allem bei einem
Materialdurchriss ein Herauslösen von Material aus dem Hitzeschildstein 1 unterbunden. Die Dauerhaltbarkeit des Hitzeschildsteins 1 ist hierdurch erhöht, so dass auch bei einem Materialdurchriss eine Revision des Hitzeschildsteins 1 nicht erforderlich ist, sondern die üblichen Revisions- und Wartungszyklen oder auch längere Intervalle erreicht werden. Durch das Zugelement 11 ist im Riss- oder Stoßbruchfall der Hitzeschildstein 1 gesichert, weil ein Herauslösen möglicher Bruchstücke nur unter Arbeitsaufwand aus dem Verbund des Hitzschildsteins 1 möglich ist. Die durch das Zugelement 11 induzierten Druckkräfte Sl bis S4 halten den Hitzeschildstein 1 dauerhaft zusammen. Das Zugelement 11 ist in vorliegendem Beispiel von bandförmiger Geometrie. Das Zugelement 11 kann insbesondere geflochten oder gewebt sein.
In FIG 3 ist in einer perspektivischen Darstellung ein Hitzeschildstein 1 dargestellt, wobei der Hitzeschildstein 1 gegenüber der Darstellung aus FIG 1 ein erstes Zugelement 11A sowie ein zweites Zugelement 11B aufweist. Die Zugelemente 11A, 11B sind an der Umfangsseite 7 vorgesehen und jeweils in Umfangsrichtung vorgespannt, so dass eine Druckspannung normal zur Umfangsseitenflache 9 erzeugt wird. Das erste Zugelement 11A ist an dem der Heißseite 3 zugewandten Ende der Umfangsseite 7 angeordnet. Das Zugelement 11B ist an dem der Wandseite 5 zugeordneten Ende der Umfangsseite 7 angeordnet. Durch diese Doppelsicherung mit zwei über den vollen Umfang des Hitzeschildsteins 1 vorgespannten
Zugelementen 11A, 11B kann sowohl im Bereich der Heißseite 3 als auch im Bereich der Wandseite 5 infolge der Druckkräfte normal zur Umfangsseitenflache 9 ein Herauslösen möglicher Bruchstücke infolge Stoßbruchs thermisch induzierten Rissbildung auf der Wandseite 5 bzw. der Heißseite 3 sicher vermieden werden.
In den Figuren 4 bis 6 sind verschiedene Ansichten auf einen Hitzeschildstein 1 dargestellt. FIG 4 zeigt eine ersten Seitenansicht, FIG 5 eine zweite, um 90 ° gedrehte, Seitenansicht, während FIG 6 eine Draufsicht auf die Heißseite 3 des Hitzeschildstein 1 zeigt. Es sind vier Zugelemente 11A, 11B, 11C, HD vorgesehen, die jeweils unter Vorspannung an der Umfangsseite 7 angebracht sind. Jedes der Zugelemente HA bis HD erstreckt sich über drei der vier Seitenflächen des quaderförmigen Hitzeschildsteins. Die Zugelemente HA, HB sind an dem der Heißseite 3 zugewandten Ende der Umfangsseite 7 vorgesehen. Die Zugelemente HC, HD sind an dem der Wandseite 5 zugewandten Ende der Umfangsseite 7 angeordnet. In ihrer Gesamtwirkung ergibt sich durch die Anordnung durch die Zugelemente HA bis HD ein Ringschluss über die gesamte Umfangsseitenflache 9 des Hitzeschildsteins 1 (siehe FIG 6), so dass jede der vier die Umfangsseite 7 des quaderförmigen Hitzeschildsteins 1 bildenden Seitenflächen eine Druckspannung normal zur Umfangsseitenflache 9 erfahren. Durch diese Konfiguration ist eine gewisse Materialersparnis bei den Zugelementen HA bis HD erzielbar, bei nahezu gleicher Sicherungswirkung gegenüber Bruchgefahr wie etwa bei der in FIG 3 gezeigten Konfiguration.
FIG 7 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Hitzeschildstein 1 mit gegenüber den Figuren 1 bis 6 modifizierter Ausgestaltung. Der Hitzeschildstein 1 weist an der Umfangsseite 7 eine Umfangsnut 13 auf. Die Umfangsnut 13 ist über den gesamten Umfang des Hitzeschildsteins 1 ausgebildet. In die Umfangsnut 13 greift ein Zugelement 11 ein. Das Zugelement 11 in der Umfangsnut 13 umschließt die
Umfangsseitenflache 9 zweifach. Es ist auch möglich, dass das Zugelement 11 die Umfangsseitenflache 9 mehrfach, insbesondere drei- oder vierfach, umschließt (siehe FIG 8 bis 10) . Durch den Eingriff des Zugelements 11 in die Umfangsnut 13 ist neben einer Erhöhung der passiven Sicherheit des Hitzeschildsteins 1 das Zugelement 11 geschützt. Beispielsweise kann beim Einsatz des Hitzeschildsteins 1 in einem Brennraum eine direkte Beaufschlagung des Zugelements 11 mit einem heißen, korrosiven oder oxidativen Gas, durch den Eingriff in die Nut 13 verhindert werden.
In FIG 8 und 9 ist jeweils eine Schnittansicht eines Hitzschildsteins 1 dargestellt. Der Hitzeschildstein 1 der FIG 8 weist eine Umfangsnut 13 auf, während der Hitzeschildstein 1 der FIG 9 eine Umfangsnut 13A sowie eine weitere Umfangsnut 13B aufweist. In die Umfangsnuten 13, 13A, 13B greift jeweils ein jeweiliges Zugelement 11, HA, HB ein. Die Zugelemente HA, HB, HC umschließen die Umfangsseitenflache 9 dabei mehrfach. Das Zugelement 11 in der Umfangsnut 13 umschließt die Umfangsseiten lache 9 dreifach (FIG 8), während das Zugelement HA die Umfangsseitenflache 9 vierfach und das Zugelement HB die Umfangsseitenflache 9 dreifach umschließt. Durch diese Mehrfachsicherung durch Zugelemente 11, HA, HB ist ein besonders wirkungsvoller Schutz des Hitzeschildsteins im Betrieb bei Stoßbruchgefahr, Rissbildung oder Materialdurchriss gewährleistet. Der Hitzeschildstein 1 besteht hierbei aus einem keramischen Grundmaterial 19, insbesondere eine Feuerfestkeramik. Die Zugelemente 11, HA, HB bestehen vorteilhafterweise ebenfalls aus einem keramischen Material 15, beispielsweise einem keramischen Fasermaterial, welches band- oder schnurförmig geflochten oder gewebt ausgestaltet ist. Dadurch ist ein einfaches Umwickeln des Hitzeschildsteins 1 mit den Zugelementen 11, HA, HB unter Aufbringung einer gewissen Vorspannung in Umfangsrichtung möglich. Der Eingriff der Zugelemente 11, HA, HB in die jeweilige Umfangsnut 13, 13A, 13B sichert zugleich die Zugelemente 11, HA, HB vor einem Herauslösen.
Neben der quaderförmigen Geometrie der gezeigten Hitzeschildsteine 1 sind auch andere prismenförmige Geometrien, mit einer Vieleckgrundfläche, denkbar. Auch kann die Umfangsnut 13, 13A, 13B die Umfangsseitenflache 9 lediglich teilweise umschließen. Die Anzahl und Anordnung von Umfangsnuten 13,13A,13B mit darin eingreifenden Zugelementen 11, HA, HB ist abhängig von der jeweiligen Geometrie und dem Belastungsfall des Hitzeschildsteins 1 auslegbar.
In FIG 10 ist eine Anordnung mit einem Hitzeschildstein 1 und einem weiteren Hitzeschildstein 1A dargestellt. Die Hitzeschildsteine 1, 1A weisen eine jeweilige Umfangsnut 13,13A auf, in die ein jeweiliges Zugelement 11, HA eingreift. Zur zusätzlichen Sicherung der Zugelemente 11, HA ist jedes der Zugelemente 11, HA zumindest teilweise mit dem jeweiligen Hitzeschildstein 1,1A mittels eines Klebers 45 verklebt. Der Kleber 45 stellt eine feste Verbindung der Zugelemente 11, HA mit den Hitzeschildsteinen 1,1A in der jeweiligen Umfangsnut 13,13A her.
Die Anordnung des Hitzeschildsteins 1 und des weiteren Hitzeschildsteins 1A erfolgt hierbei unter Bildung eines Spalts 35. Der Spalt 35 wird durch die Mehrfachanordnung der Zugelemente 11, HA in den Umfangsnuten 13,13A derart geschlossen, dass eine mögliche Durchströmung bei einer Beaufschlagung der Heißseite 3 mit einem heißen Medium, beispielsweise einem Heißgas, von einem der Heißseite 3 zugewandten Bereich durch den Spalt 35 zu einem der Wandseite 5 zugeordneten Bereich weitgehend unterbunden ist. Durch die Zugelemente 11, HA werden in der Anordnung mit dem Hitzeschildstein 1 und dem weiteren Hitzeschildstein 1A diese gegenüber einem Überströmen von Heißgas geschützt. Neben dieser Dichtwirkung sind die Hitzeschildsteine 1,1A gegenüber Relativbewegungen entlang einer horizontalen Stoßachse 47 eingeschränkt, wobei zusätzlich durch die benachbart angeordneten Zugelemente 11, HA der jeweiligen Hitzeschildsteine 1, 1A im Bereich des Spalts 35 eine Stoßdämpfung entlang der horizontalen Stoßachse 47 erreicht ist. Dies ist von besonderem Vorteil beim Einsatz der Hitzeschildsteine 1,1A in der Brennkammer einer Gasturbine, wo Vibrationen infolge von Pulsationen der Verbrennung in der Brennkammer auftreten können, und die Gefahr eines Stoßbruchs besteht .
Die Draufsicht auf eine Anordnung eines Hitzeschildsteins 1 und eines weiteren Hitzeschildsteins 1A ist in FIG 11 dargestellt. FIG 11 zeigt dabei eine Tragstruktur 21, beispielsweise eine Tragwand, in die Befestigungsnuten 33 eingearbeitet sind. Die Befestigungsnuten 33 erstrecken sich dabei entlang einer Nutverlaufsachse 43 in der Tragstruktur 21. Über jeweilige Befestigungselemente 23 ist der Hitzeschildstein 1 und der weitere Hitzeschildstein 1A an der Tragstruktur 21 befestigt, wobei die Hitzeschildsteine 1,1A entlang der Nutverlaufsachse 43 benachbart zueinander angeordnet sind. Die Draufsicht der FIG 11 zeigt eine Ansicht der Hitzeschildsteine 1,1A auf die Heißseite 3, die im Betrieb mit einem heißen Gas, beispielsweise einem Verbrennungsgas, beaufschlagt ist. Jeder der Hitzeschildsteine 1,1A weist ein jeweiliges Zugelement 11, HA auf. Die Zugelemente 11, HA greifen in eine jeweilige
Umfangsnut 13,13A der Hitzeschildsteine 1,1A, wobei eine Druckspannung normal zur Umfangsseitenflache 9 erzeugt wird. Eine derartige Tragstruktur 21 mit daran befestigten Hitzeschildsteinen 1,1A ist beispielsweise in der Brennkammer einer Gasturbine eingesetzt. Dies soll im Folgenden anhand der FIG 12 kurz diskutiert werden. FIG 12 zeigt stark schematisiert in einem Längsschnitt eine Gasturbine 27. Entlang einer Turbinenachse 37 sind aufeinander folgend angeordnet: ein Verdichter 39, eine Brennkammer 25 sowie ein Turbinenteil 41. Die Brennkammer 25 ist mit einer Brennkammerauskleidung 29 innen ausgekleidet. Die Brennkammerauskleidung 29 umfasst eine Brennkammerwand 31, die zugleich eine Tragstruktur 21 aufweist (vgl. auch FIG 11) . Die Brennkammerauskleidung 29 umfasst weiterhin Hitzeschildsteine 11, HA, HB die an der Tragstruktur 21 befestigt sind. Die Hitzeschildsteine 11, HA, HB sind dabei gemäß den obigen Ausführungen ausgestaltet. Im Betrieb der Gasturbine 27 sind die Hitzeschildsteine 11, HA, HB mit einem heißen Medium M, insbesondere einem Heißgas, beaufschlagt. Dies führt zu erheblichen thermischen Belastungen der Heißseite 3 der Hitzeschildsteine 11, HA, HB. Gerade bei einer Gasturbine 27 kann es darüber hinaus zu erheblichen Vibrationen etwa durch Brennkammerbrummen kommen. Im Resonanzfall können sogar stoßartige akustische Brennkammerschwingungen mit großen Schwingungsamplituden auftreten. Diese Vibrationen führen zu einer erheblichen Beanspruchung der Brennkammerauskleidung 29 und der davon umfassten Komponenten, wie beispielsweise der Tragstruktur 21 und der Hitzeschildsteine 1,1A, IB. Durch die Ausgestaltung der Hitzeschildsteine 1,1A, 1B mit einem jeweiligen Zugelement H,HA,HB wird der Bruchgefahr einerseits vorgebeugt und andererseits im Bruchfall oder bei einer Rissbildung ein Notlaufbetrieb sichergestellt, so dass die passive Sicherheit gegenüber herkömmlichen Hitzeschildsteinen 1, 1A, 1B deutlich erhöht ist. Dadurch ergibt sich eine besonders hohe Unempfindlichkeit der Brennkammerauskleidung 29 gegenüber Stößen oder Vibrationen. Die ein Zugelement 11, HA, HB aufweisenden Hitzeschildsteine 1,1A, 1B sind dabei sowohl für eine Beaufschlagung mit den hohen Temperaturen eines heißen Mediums M, beispielsweise bis zu 1400 °C in einer Gasturbine 29, als auch gegenüber einem hohen mechanischen
Energieeintrag infolge von Stößen und/oder Vibrationen dauerhaft beständig.

Claims

Patentansprüche
1. Hitzeschildstein (1,1A), insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammerwand (31) , mit einer einem heißen Medium (M) aussetzbaren Heißseite (3) , einer der Heißseite (3) gegenüberliegende Wandseite (5) und einer an die Heißseite (3) und die Wandseite (5) angrenzenden Umfangsseite (7), die eine Umfangsseitenflache (9) aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass an der Umfangsseite (7) ein in Umfangsrichtung vorgespanntes Zugelement (11, HÄ, HB) vorgesehen ist, wobei eine Druckspannung (Sl, S2, S3, S4 ) normal zur Umfangsseitenflache erzeugt wird.
2. Hitzeschildstein (1,1A) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Zugelement (11, HA, HB) sich zumindest bereichsweise in Umfangsrichtung erstreckt.
3. Hitzeschildstein nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mehrere Zugelemente (H,HA,HB) vorgesehen sind.
4. Hitzeschildstein (1,1A) nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest ein Zugelement (11, HA) die Umfangsseitenflache (9) vollständig umschließt .
5. Hitzeschildstein (1,1A) nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Zugelement (11, HA, HB) die Umfangsseitenflache mehrfach umschließt .
6. Hitzeschildstein (1,1A) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Umfangsseite (7) eine Umfangsnut (13,13A) aufweist, in die ein Zugelement (11, HA) eingreift.
7. Hitzeschildstein (1,1A) nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mindestens eine weitere Umfangsnut (13B) vorgesehen ist, die zur Umfangsnut (13A) beabstandet ist, wobei ein Zugelement (HA) in die weitere Umfangsnut (13B) eingreift.
8. Hitzeschildstein (1,1A) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Zugelement (11, HA, HB) als Schnur oder Band, insbesondere geflochten oder gewebt, ausgestaltet ist.
9. Hitzeschildstein (1,1A) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Zugelement (11, HA, HB) aus einem keramischen Material (15), insbesondere aus einem keramischen Fasermaterial, besteht.
10. Hitzeschildstein (1,1A) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Zugelement zumindest teilweise mit dem Hitzeschildstein (1,1A) verklebt ist.
11. Hitzeschildstein (1,1A) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass er aus einem keramischen Grundmaterial (18), insbesondere aus einer Feuerfestkeramik, besteht.
12. Brennkammer (25) mit einer inneren Brennkammerauskleidung (29), die Hitzeschildsteine (1,1A) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
13. Gasturbine (27) mit einer Brennkammer (25) nach Anspruch 12.
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