WO2002033322A1

WO2002033322A1 - Hitzeschildstein zur auskleidung einer brennkammerwand, brennkammer sowie gasturbine

Info

Publication number: WO2002033322A1
Application number: PCT/EP2001/011471
Authority: WO
Inventors: Christine Taut
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2000-10-16
Filing date: 2001-10-04
Publication date: 2002-04-25
Also published as: US20040050060A1; JP2004511751A; US7540155B2; EP1199520A1; DE50112458D1; EP1327108A1; JP3999654B2; EP1327108B1

Abstract

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

Description

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den ein Faserkeramik-Körper mit Dichtegradienten angegeben. Dieser Faserkeramik-Körper ist aus vier Schichten unterschiedlicher Schichtdicke mit unterschiedlichem Keramikanteil aufgebaut. Der Unterschied in dem Keramikanteil besteht darin, dass sich das Verhältnis an Fasern (Al₂0₃-Kurzfasern) zu Keramikpartikeln aus Al₂Ti0₅ der vier Schichten deutlich unterscheidet. Hierdurch ist auch die Porosität der vier Schichten deutlich voneinander verschieden. Die hohe Porosität der Schichten zwischen 40 % und 79 % wird dazu genutzt, um mittels Pressgießens in die Hohlräume des Faserkeramik- Körpers geschmolzenes Metall zur Herstellung eines defektfreien Verbundes einzubringen. Dadurch ist ein Kolbenboden herstellbar, der einen sich stark sprungartig ändernden Gradienten an Metall und Keramik aufweist. Durch die geringe Wärmeleitfähigkeit der keramischen Anteile wird eine thermische Barriere gebildet und der Kolben somit isoliert. Zudem bewirkt die Faserkeramik eine mechanische Verstärkung des Kolbens und damit eine Verbesserung der Thermoschockbestän- digkeit des Kolbens.

In dem Artikel "Projected Research on High Efficiency Energie Conversion Materials", von M. Niino, M. Koizumi in FGM 94, Proceedings of the 3rd International Symposium on Functional Gradient Materials, ed. B. Ilschner, N. Cherradi, S. 601-605, 1994, sind Verbundwerkstoff im Zusammenhang der Entwicklung von Werkstoffen für einen Raumgleiter angegeben, die als Functional Gradient Material (FGM) bezeichnet sind. Wesentliches Merkmal von FGM ist ein kontinuierlicher Zusammenset- zungs- und/oder Mikrostrukturgradient, der zu einem kontinu- ierlichen Gradienten der relevanten Funktionen, z.B. der Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Duktilität und ähnliches mehr führen soll, wobei durch Vermeidung abrupter Eigenschaftsänderung die Belastbarkeit und Effizienz des Werkstoffs gesteigert werden soll. FGM sollen daher die positiven Eigenschaf- ten von Schicht- und Stückverbunden in einem Werkstoff vereinen. co ω PO t\) h-¹ P¹

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steine beispielsweise in Brennkammern von stationären Gasturbinen eingesetzt und dienen der thermischen Isolierung der üblicherweise metallischen Brennkammerwand. Ein Hitzeschildstein ist dabei mit seiner Wandseite angrenzend über eine Tragstruktur an der Brennkammerwand befestigt. Die Heißseite ist im Betrieb einem heißen Medium, beispielsweise dem heißen Verbrennungsgas, ausgesetzt. Aufgrund der Einsatzbedingungen sind an die Heißseite der Hitzeschildsteine daher wesentlich andere Anforderungen gestellt als an die demgegenüber viel kältere Wandseite. In einer Gasturbinenbrennkammer ist die Heißseite der Hitzeschildsteine einer hohen Beanspruchung durch schnell strömende, korrosive, heiße Gase mit typischen Temperaturen von etwa 1500 °C ausgesetzt. Außerdem müssen durch Be- und Entlastungsvorgänge der Gasturbine häufig schroffe Temperaturwechsel von bis zu 1000 °C ertragen werden. Die unter diesen Bedingungen angestrebten Lebensdauern . der Steine liegen bei ca. 50.000 Betriebsstunden.

Mit der Erfindung wird ein neuer Weg beschritten, die teil- weise konkurrierenden Erfordernisse, beispielsweise hohe Festigkeit auf der Wandseite und demgegenüber Ertragen hoher Wärmespannungen, Temperatur- und Temperaturwechselfestigkeit auf der Heißseite, mit dem vorgeschlagenen Hitzeschildstein besser miteinander zu verbinden. Dabei werden die relevanten kritischen Bereiche, nämlich der an die Heißseite angrenzende Heißseitenbereich sowie der an die Wandseite angrenzende Wandseitenbereich des Hitzeschildsteins hinsichtlich ihrer Struktur gezielt an die jeweiligen Anforderungen angepasst. Hierbei wird die Korngrößenverteilung im Heißseitenbereich und im Wandseitenbereich bereichsspezifisch an die jeweilige thermomechanische Belastung angepasst. Als ausgewählter Strukturparameter wird die Korngröße in dem Wandseitenbereich und in dem Heißseitenbereich eingestellt, wobei im Mittel die Korngröße im Wandseitenbereich kleiner ist als im Heißseiten- bereich. Als Mittel der Korngröße wird hierbei der Mittelwert der Korngrößendurchmesserverteilung in einem jeweiligen Bereich verstanden. Mit einer an die Anforderungen angepassten O co f to P¹ P¹ π o Cπ O cπ o cπ cn cn CL P- hi o φ < rt N P- CL hi N M CL d Φ rt N cn co rt Hl 3 < φ Φ uq Ω Cfl S

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_.Materialdicke oder Zusammensetzung, mit belastungsbereichs- spezifischer Korngrößenanpassung realisierbar.

Vorzugsweise beträgt im Mittel die Korngröße im Heißseitenbe- reich zwischen etwa 1,5 mm und 3,5 mm. Insbesondere ist im Mittel die Korngröße im Heißseitenbereich größer als etwa 2 mm.

Bevorzugt beträgt im Mittel die Korngröße im Wandseitenbe- reich zwischen etwa 0,6 mm und 1,4 mm. Insbesondere ist im Mittel die Korngröße im Wandseitenbereich kleiner als etwa 1,2 mm.

Mit der Dimensionierung der Korngröße gemäß oben genannten Grenzen sind insbesondere Hitzeschildsteine mit Dimensionen, wie sie üblicherweise beim Einsatz eines Hitzeschildsteins in der Brennkammer einer Gasturbine von Bedeutung sind, belastungsgerecht angebbar. Im konkreten Fall ist natürlich empirisch und/oder rechnerisch die jeweilige thermomechanische Belastung im Wandseitenbereich und im Heißseitenbereich zu ermitteln, und eine belastungsgerechte Korngröße in den Bereichen präzise vorzusehen.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind entlang ei- ner Richtung von der Heißseite zu der Wandseite Schichten mit abnehmender Korngröße vorgesehen.

In den Schichten wird hierbei jeweils eine mittlere Korngröße eingestellt, so dass von dem Heißseitenbereich zu dem Wand- Seitenbereich die mittlere Korngröße schichtweise abnimmt. In jeder Schicht wird dabei vorzugsweise eine jeweilige Korngröße eingestellt. Diese schichtweise Abstufung der eingestellten Korngrößen in den Schichten erfolgt vorteilhafterweise graduell, so dass unzulässig große Änderungen (Sprünge) in den Materialeigenschaften weitgehend vermieden und ein

Hitzeschildstein mit an die Anforderungen entsprechend ange- passten Eigenschaften erreichbar ist. Die relevanten Werk-

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Durch die Abstufung der Korngröße und der chemischen Zusammensetzung können abrupte Änderungen in den Materialeigenschaften in besonders vorteilhafter Weise vermieden werden. Die Anpassung des Hitzeschildsteins an die thermomechanischen Erfordernisse ist dadurch weiter verbessert. Durch die Korngrößen- und Konzentrationsanpassung ist ein mehrdimensionaler Parameterraum für eine belastungsbereichsspezifische Ausgestaltung eines Hitzeschildsteins erreicht.

Der erste Stoff, mit der höheren Konzentration im Wandseitenbereich als im Heißseitenbereich, weist vorteilhafterweise Eigenschaften auf, die die Festigkeit im Wandseitenbereich gegenüber der Festigkeit im Heißseitenbereich erhöhen, da aufgrund der Anforderungen beispielsweise beim Einsatz des Hitzeschildsteins in der Brennkammer einer Gasturbine, der

Wandseitenbereich die größere Festigkeit erfordert. Demgegenüber ist das Festigkeitserfordernis im Heißseitenbereich von untergeordneter Bedeutung gegenüber der Thermoschockbestän- digkeit im Heißseitenbereich. Daher ist die Konzentration des ersten Stoffes im Heißseitenbereich gegenüber dem Kaltseiten- bereich vorzugsweise geringer einzustellen. Die Anpassung der Konzentration, d. h. der Konzentrationsgradient des ersten Stoffes und/oder des zweiten Stoffes erfolgt dabei vorteilhafterweise graduell in entsprechenden Schichten oder ist in kontinuierlicher Weise angepasst.

Vorzugsweise ist der erste Stoff ein Oxid und der zweite Stoff ein Silicat, insbesondere eine Silicatkeramik.

Vorzugsweise ist der erste Stoff Aluminiumoxid A1₂0₃ und der zweite Stoff Aluminiumsilicat 3Al₂0₃»2Si0₂.

Als für den Einsatz unter den oben beschriebenen Bedingungen besonders gut geeignet erweisen sich Hitzeschildsteine einer Qualität, die Aluminiumsilicat 3Al₂0_3*2Si0₂ sowie Aluminiumoxid A1₂0₃ enthalten. Das Aluminiumoxid kann dabei als Korund (grob kristallin) eingebracht sein. Aluminiumoxid bildet sehr o o fV> > P¹ P¹ cπ o cπ o Cπ o cπ

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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der erste Stoff eine Keramik und der zweite Stoff ein Metall. Dadurch können vorteilhafterweise auch Metall aufweisende Hitzeschildsteine, wie sie beispielsweise in der WO 98/53940 mit einem Metall-Keramik-Gradientenwerkstoff beschrieben sind, hinsichtlich einer belastungsbereichsspezifischen Korngrößenanpassung verbessert werden. Das Konzept der Erfindung ist mithin auf eine Vielzahl von unterschiedlicher chemischen Zusammensetzungen von Hitzeschildsteinen anwendbar.

Die auf eine Brennkammer gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Brennkammer mit einer inneren Brennkammerauskleidung, die Hitzeschildsteine gemäß den obigen Ausführungen aufweist.

Die auf eine Gasturbine gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Gasturbine mit einer solche Hitzeschildsteine aufweisenden Brennkammer.

Die Vorteile einer solchen Brennkammer und einer solchen Gasturbine ergeben sich entsprechend den Ausführungen zum Hitzeschildstein.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen hierbei schematisch und teilweise vereinfacht:

FIG 1 in perspektivischer Darstellung einen Hitzeschildstein,

FIG 2 eine vergrößerte Ansicht der in FIG 1 gezeigten Einzelheit II, FIG 3 eine analog zu FIG 2 vergrößerte Ansicht der in FIG 1 gezeigten Einzelheit III,

FIG 4 in einem Ausschnitt eine Seitenansicht eines Hitzeschildsteins mit Schichtaufbau, .FIG 5 ein Diagramm mit der Darstellung des Verhaltens der Korngröße des in FIG 4a gezeigten Hitzeschildsteins, und

FIG 6 einen stark vereinfachten Längsschnitt durch eine Gasturbine.

Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.

In FIG 1 ist in perspektivischer Darstellung ein Hitzeschildstein 1 gezeigt. Der Hitzeschildstein 1 weist eine quaderför- mige Geometrie auf, mit einer Heißseite 3 und einer der Heißseite gegenüberliegenden Wandseite 5. An die Heißseite 3 grenzt ein Heißseitenbereich 7 an. An die Wandseite 5 grenzt ein Wandseitenbereich 9 an. Der Heißseitenbereich 7 und der Wandseitenbereich 9 erstrecken sich jeweils von der Heißseite 3 bzw. der Wandseite 5 in das Innere -des quaderförmigen Hitzeschildsteins 1. Das Material aus dem der Hitzeschildstein 1 zusammengesetzt ist, beispielsweise eine Feuerfestkeramik, weist in dem Wandseitenbereich 9 und in dem Heißseitenbereich 7 eine jeweilige Korngrößenverteilung auf. Dabei ist die Korngrößenverteilung so eingestellt, dass im Mittel die Korngröße D im Wandseitenbereich 9 kleiner ist als im Heißseiten- bereich 7. Durch diese strukturelle Ausgestaltung des Hitzeschildsteins 1 ist dieser an die thermomechanischen Anforderungen bereichsspezifisch angepasst. Insbesondere beim Einsatz des Hitzeschildsteins 1 in einer Brennkammer, beispielsweise einer Brennkammer einer Gasturbine, sind die Anforde- rungen an den Hitzeschildstein 1 in dem Heißseitenbereich 7 und dem Wandseitenbereich 9 unterschiedlich. Mit der gezielten Korngrößeneinstellung gemäß der Erfindung können die teilweise konkurrierenden Erfordernisse im Heißseitenbereich 7 und im Wandseitenbereich 9 gleichermaßen weitgehend erfüllt und gegenüber herkömmlich ausgestalteten Hitzeschildsteinen 1 deutliche Verbesserungen erzielt werden. Dadurch ist beispielsweise im Wandseitenbereich 9 eine hohe Festigkeit und co co tV) ro P¹ P> cπ o cπ o cn o cπ

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Konzentration des zweiten Stoffs 19, beispielsweise Mullit, größer als die Konzentration des ersten Stoffes 17 (z.B. Aluminiumoxid A1₂0₃) . Beispielsweise kann in einem Zweistoffgemisch die Konzentration des ersten Stoffes 17, etwa Alumini- umoxid A1₂0₃, im Wandseitenbereich 9 nahezu 100% betragen, während im Heißseitenbereich 7 die Konzentration des zweiten Stoffes 19, z.B. Mullit, nahezu 100% beträgt.

FIG 6 zeigt stark schematisiert und vereinfacht in einem Längsschnitt eine Gasturbine 31. Entlang einer Turbinenachse 33 sind aufeinander folgend angeordnet: Ein Verdichter 35, eine Brennkammer 37 sowie ein Turbinenteil 39. Die Brennkammer 37 ist mit einer Brennkammerauskleidung 41 innen ausgekleidet. Die Brennkammer 37 weist eine Brennkammerwand 43 auf. Durch die Brennkammerwand 43 ist eine Tragstruktur 45 gebildet. Die Brennkammer 37 weist Hitzeschildsteine 1, 1A, 1B gemäß den obigen Ausführungen auf. Hierbei sind die Hitzeschildsteine 1, 1A, 1B mit ihrer Wandseite 5 der Tragstruktur 45 zugewandt an der Tragstruktur 45 mittels geeigneten, nicht näher dargestellten, Befestigungselementen befestigt. Im Betrieb der Gasturbine 31 sind die Hitzeschildsteine 1, 1A, 1B zumindest mit ihrer jeweiligen Heißseite 3 von einem heißen Medium M, dem Heißgas der Gasturbine, beaufschlagt. Gerade bei einer Gasturbine 31 kann es zu erheblichen Vibrationen etwa durch Brennkammerbrummen kommen. Im Resonanzfall können sogar stoßartige akustische Brennkammerschwingungen mit großen Schwingungsamplituden auftreten. Diese Vibrationen führen zu einer erheblichen Beanspruchung der Brennkammeraus- kleidung 41. Dabei sind sowohl die Tragstruktur 45 als auch die Hitzeschildsteine 1, 1A, 1B betroffen. Durch Stöße sind vor allen Dingen die Hitzeschildsteine 1A, 1B gefährdet, insbesondere wegen der bestehenden Bruchgefahr. Weiter sind die Hitzeschildsteine 1, 1A, 1B besonders stark thermisch belastet, insbesondere auf der mit dem Heißgas M beaufschlagten Heißseite 3. Durch die Ausgestaltung der Hitzeschildsteine 1, 1A, 1B mit einer bereichsspezifisch belastungsgerechten Einstellung der Korngröße D, vorzugsweise auch zusätzlich mit einer Variation der chemischen Zusammensetzung bei einem Zweistoffsystem, ist ein an die Anforderungen angepasster Hitzeschildstein 1, 1A, IB in der Brennkammer 37 eingebaut. Dadurch ergibt sich eine besonders hohe Unempfindlichkeit der Brennkammerauskleidung 41 gegenüber Stößen oder Vibrationen oder Temperaturbelastung, insbesondere Temperaturwechselbelastung.

Claims

Patentansprüche

1. Hitzeschildstein (1,1A, IB), insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammerwand (43) , mit einer einem heißen Medium (M) aussetzbaren Heißseite (3) und einer der Heißseite (3) gegenüberliegenden Wandseite (5), und mit einem an die Heißseite (3) angrenzenden Heißseitenbereich (7) sowie einem an die Wandseite (5) angrenzenden Wandseitenbereich (9) , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass im Mittel die Korngröße (D) im Wandseitenbereich (9) kleiner ist als im Heißseitenbereich (7) .

2. Hitzeschildstein (1,1A, IB) 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 die Korn- große (D) im Wandseitenbereich (9) um etwa einen Faktor 0,4 bis 0,9, insbesondere einen Faktor 0,6 bis 0,8, kleiner ist als im Heißseitenbereich (7).

3. Hitzeschildstein (1,1A, IB) 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 im Mittel die Korngröße (D) im Heißseitenbereich (7) zwischen etwa 1,5 mm und 3,5 mm beträgt, insbesondere größer als etwa 2 mm ist .

4. Hitzeschildstein (1,1A, IB) nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass im Mittel die Korngröße (D) im Wandseitenbereich (9) zwischen etwa 0,6 mm und 1,4 mm beträgt, insbesondere kleiner als etwa 1, 2 mm ist.

5. Hitzeschildstein (1,1A,1B) nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass entlang einer Richtung (13) von der Heißseite (3) zu der Wandseite (5) Schichten (ILA, 11B, 11C) mit abnehmender Korngröße (D) vorgesehen sind.

6. Hitzeschildstein (1,1A, IB) nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Anzahl der Schichten (11A, 11B, 11C) etwa 5 bis 30, insbesondere etwa 10 bis 20, beträgt.

7. Hitzeschildstein (1,1A, IB) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass entlang einer Richtung (13) von der Heißseite (3) zu der Wandseite (5) die Korngröße (D) sich im wesentlichen kontinuierlich ändert.

8. Hitzeschildstein (1,1A, IB) 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 dieser aus mindestens zwei Stoffen (17,19), mit einem ersten Stoff (17) und einem davon verschiedenen zweiten Stoff (19), zusammengesetzt ist.

9. Hitzeschildstein (1,1A, IB) nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Konzentration des ersten Stoffs (17) im Wandseitenbereich (9) größer ist als im Heißseitenbereich (7).

10. Hitzeschildstein (1,1A, IB) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der erste

Stoff (17) ein Oxid und der zweite Stoff (19) ein Silicat, insbesondere eine Silicatkeramik, ist.

11. Hitzeschildstein (1,1A,1B) nach einem der Ansprüche 8 bis

10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der erste

Stoff (17) Aluminiumoxid A1₂0₃ und der zweite Stoff (19) Alu- miniumsilicat 3Al₂0₃-2Si0₂ ist.

12. Hitzeschildstein (1,1A, IB) nach Anspruch 8 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der erste Stoff (17) eine Keramik und der zweite Stoff (19) ein Metall ist.

13. Brennkammer (37) mit einer inneren Brennkammerauskleidung, die Hitzeschildsteine (1,1A,1B) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausweist.

14. Gasturbine (31) mit einer Brennkammer (37) nach Anspruch 11.