WO2006058629A1 - Hitzeschildelement, verfahren und form zu dessen herstellung, heissgasauskleidung und brennkammer - Google Patents

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    • F23M2900/05004—Special materials for walls or lining

Definitions

  • Heat shield element method and form for its manufacture, hot gas lining and combustion chamber
  • 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 hot gas lining constructed of heat shield elements and a combustion chamber provided with a hot gas lining, which can be designed in particular as a gas turbine combustion chamber. Moreover, the invention relates to a mold for producing a ceramic heat shield element.
  • 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 hot gas lining is 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.
  • Air is generally used as sealing air, which at the same time serves as cooling air for cooling retaining clips holding the heat shield elements, which, inter alia, leads to the occurrence of temperature gradients in the region of the edges of a heat shield element.
  • sealing air serves as cooling air for cooling retaining clips holding the heat shield elements, which, inter alia, leads to the occurrence of temperature gradients in the region of the edges of a heat shield element.
  • the peripheral sides delimiting the gaps are cooled as well as the cold side of the heat shield elements.
  • a high heat input due to the hot gas takes place on the hot side of the heat shield elements.
  • a three-dimensional temperature distribution arises, which is characterized by a temperature drop from the hot side to the cold side as well as by a drop in temperature occurring from central points of the heat shield element to the edges. This is the reason why ceramic heat shield elements, in particular, are also used without them
  • the heat shield elements are formed flat in a gas turbine combustor and disposed parallel to the support structure.
  • a temperature gradient which runs perpendicular to the surface of the support structure, only leads to comparatively low thermal stresses, as long as the ceramic heat shield element in the installed state, a prevention in the direction of the interior of the combustion chamber without obstruction is possible.
  • a temperature gradient parallel to the support structure such as that which extends from the peripheral surfaces of the heat shield element to the center of the heat shield element, brings about rapidly increased thermal stresses due to the rigidity of plate-like geometries with respect to deformations parallel to their largest projection surface. These result in the cold edges of the peripheral surfaces being put under tension due to their comparatively low thermal expansion from hotter central regions which are subjected to greater thermal expansion. When the material strength is exceeded, this tension can lead to the formation of cracks which originate from the edges of the heat shield element and run in the direction of central regions of the heat shield element.
  • the cracks reduce the load bearing cross section of the heat shield element.
  • the thermally induced cracks can be caused by during operation of the
  • the ceramic heat shield element 100 shown in Figure 7 has a hot side 102, which faces the hot gas when the heat shield element 100 in the heat shield of a
  • Combustion chamber is installed. Opposite the hot side 102 is the cold side 104 which faces the combustion chamber wall to be protected when the heat shield element 100 is installed in a heat shield.
  • circumferential sides 106, 108 are present, which extend between the hot side 102 and the cold side 104. Two mutually opposite circumferential sides 108 are also provided with grooves 110 which serve to fix the heat shield element 100 to the supporting wall structure by means of retaining clips.
  • Figure 8 shows in a perspective view of a mold 200 for producing the heat shield element of Figure 7.
  • the mold 200 consists of a number of moldings 202a to 202e, which are inserted into a molding box 203 and held by this in position.
  • the inner surfaces 204, 206, 208 of the molded parts 202a to 202e constitute the molding surfaces for molding the surface of the heat shield member 100.
  • the inner surface 204 serves to form the cold side 104 of the heat shield member 100, the inner surfaces 206 to form the side surfaces 106 without a groove and the inner surfaces 208 for forming the side surfaces 108 with groove 110.
  • the inner surfaces 208 have spring-like projections 210 for forming the grooves 110.
  • a ceramic molding compound 220 is introduced into the mold 200 with the mold parts 202a to 202e inserted and then pressed into the mold by means of a punch 212.
  • the molding compound 220 facing surface 214 of the punch 212 thereby forms the hot gas surface 102 of the ceramic heat shield element 100.
  • the pressure necessary for pressing the molding compound 220 requires that the mold 200 is completely closed during pressing, i.
  • the stamp 212 must be formed to fit the mold 200.
  • the pressing pressure can lead to a springback of the moldings. Fluctuations in the amount of material of the molding compound 220 can also lead to variations in the thickness of the finished ceramic heat shield element.
  • the heat shield element 100 can also be cast using the mold 200, i. without a pressing process takes place.
  • the heat shield member 100 is cast horizontally, either the hot side 102 or the cold side 104 is not defined by the mold during casting. The undefined side requires elaborate finishing after casting to produce the desired shape of the heat shield element 100.
  • the molds described are not suitable for producing a heat shield element in a single casting or pressing step, which has different material regions with different material properties. That too Manufacture of heat shield elements with reinforcing elements inside is not possible.
  • the object of the present invention is to provide a heat shield element which has improved cracking properties.
  • 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 hot gas lining according to claim 7 or a combustion chamber according to claim 8, the third object by a method according to claim 9 and the fourth object by a mold according to claim 14
  • 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 facing away from the hot medium and peripheral sides connecting the hot side to the cold side.
  • the hot side, the cold side and the peripheral sides limit the material volume of the heat shield element.
  • the material volume comprises at least two material regions made of different materials, wherein the materials differ at least in their strengths and / or thermal expansion coefficients.
  • the thermal expansion of the material regions can be influenced in a targeted manner.
  • material areas provided for relatively high operating temperatures have a relatively low coefficient of thermal expansion
  • 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 and thus reduce the tendency for cracking.
  • a relatively low or relatively high operating temperature is to be understood in each case with regard to the operating temperature for which the material of the other material regions of the heat shield element is designed. The same applies analogously to the relatively low and the relatively high thermal expansion coefficients.
  • the length of emerging cracks can be influenced in an advantageous manner.
  • a firmer material leads to a more difficult crack propagation and thus in particular to a reduction in the length of the resulting cracks.
  • the combination of solid and less solid material in a heat shield element allows the use of the solid material even if the solid material has a lower thermal capacity compared to the less solid material.
  • the material in material areas which are provided for relatively high operating temperatures has a relatively low strength and the material in material areas, the are provided for relatively low operating temperatures, has a relatively high strength.
  • a relatively low or relatively high strength is to be understood here in each case with respect to the strength of the material of the other material areas of the heat shield element.
  • the last-mentioned embodiment also makes it possible to optimally adapt the material of those material regions which are intended for relatively high operating temperatures to the high operating temperatures without having to pay too much attention to the strength of the material used.
  • the material of those areas of material intended for the relatively low operating temperatures can be optimized for strength without having to pay too much attention to its thermal properties.
  • a particularly advantageous heat shield element is obtained when material areas provided for relatively high operating temperatures have both a relatively low thermal expansion coefficient and a relatively low strength, and material areas provided for relatively low operating temperatures have both a relatively high coefficient of thermal expansion as well as having a relatively high strength.
  • the cracking rate can be reduced, and on the other hand, a spread of the resulting cracks can be counteracted.
  • At least one material region of a material with a relatively low coefficient of thermal expansion and / or relatively low strength adjoins the hot side of the heat shield element, whereas at least one material region consists of a material having a relatively high thermal expansion coefficient and / or relative high strength adjacent to the cold side of the heat shield element.
  • the ambient temperature for example, when a gas turbine binenstrom
  • maximum operating temperature for example, at full load of a gas turbine plant
  • the temperature-induced material expansion in the region of the cold side can be adapted to the temperature-induced material expansion in the region of the hot side, whereby material stresses in the heat shield element can be reduced.
  • the material which is cooler during operation of the gas turbine plant in a material area adjoining the cold side can also be optimized with regard to its strength. In this case, for example, can also be accepted that this material has a lower resistance to high temperatures than the adjacent to the hot side material.
  • At least one material region made of a material having a relatively high coefficient of thermal expansion and / or relatively high strength may be adjacent to the circumferential surface of the heat shield element and at least one material region may be made of a material having a relatively low thermal content
  • a material region of a material with a relatively low coefficient of thermal expansion and / or relatively low strength can adjoin the hot side and a material region made of a material with a relatively high coefficient of thermal expansion and / or relatively high strength can 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 heat strains occur in heat shield elements with a homogeneous coefficient of thermal expansion in the region of the peripheral surfaces. reason arise over the rest of the heat shield element particularly low operating temperatures.
  • the coefficient of thermal expansion is increased in the area of the circumferential surfaces in comparison to the interior (seen from the peripheral surfaces) of the heat shield element, the voltages occurring can be reduced.
  • the high strength of this range can effectively prevent the propagation of cracks once it has formed.
  • the material in the area of the peripheral surfaces preferably has both a high coefficient of thermal expansion and a high degree of strength.
  • mutually adjacent material regions made of materials with different coefficients of thermal expansion and / or different strengths are configured in such a way that there is a zone of the transition from one material region to the other. In this zone, a smooth or continuous transition from the thermal expansion coefficient and / or the strength of the one material to the coefficient of thermal expansion and / or the strength of the other material takes place. Due to the flowing and matched transition in particular 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 and 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 different coefficients of thermal expansion when spatial temperature gradients occur within the ceramic heat shield element leads to a reduced cracking tendency.
  • the presence of a material area with a more rigid material reduces in a ceramic heat shield the Risk of training long cracks.
  • the ceramic heat shield element has both material areas whose materials have different coefficients of thermal expansion, and material areas whose materials have different strengths, therefore, a longer life of the heat shield elements can be achieved, resulting in a reduction of replacement rates of heat shield elements in hot gas linings.
  • An inventive heat shield in particular as a
  • a heat shield for a gas turbine combustor can be configured comprises a number of under Dehnspaltbemik at their peripheral surfaces of adjacent heat shield elements and a barrier fluid supply for supplying a the expansion column against the entry of hot medium blocking
  • Blocking fluid flow 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.
  • 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 prior to sintering the pressed or cast base material mixture, the thermal expansion coefficients and / or the strength of different material regions are adjusted.
  • the resistance of a heat shield element produced by means of the method according to the invention to temperature gradients can be determined increase within the heat shield element, whereas by adjusting the strength of the expansion of cracks can be prevented, so that as a result only shorter cracks arise than in the prior art.
  • the adjustment of the coefficients of thermal expansion and / or the strength 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 smoothly from one composition to the other composition, so that a smooth transition of the thermal expansion coefficient or the strength can be realized.
  • the thermal expansion coefficients or the strengths by after the pressing or casting of the base material mixture and before sintering a post-treatment of at least one material region takes place, which changed after sintering compared to the rest of the base material mixture, For example, it should have a relatively low coefficient of thermal expansion, or a modified resistance to the rest of the base material mixture.
  • the Nachbehan- your example, by the at least one nachzubehandelnde material area is soaked with a liquid. This procedure permits a particularly good definition of material regions which should have a thermal expansion coefficient which is changed in relation to the rest of the base material mixture and / or a changed strength.
  • a mold according to the invention for producing a ceramic heat shield element has a mold shell comprising a number of molding surfaces and a pouring port for pouring a ceramic material.
  • the mold shell is designed as a one-piece mold shell during casting and the pouring opening is formed as an opening in one of the mold surfaces.
  • the term "one-piece mold shell during casting” should not be understood in this context to mean that the mold shell is monolithically formed from a single piece, but rather that the mold shell is formed in a single piece
  • the mold according to the invention may be composed of a number of individual parts, as long as they are firmly connected to each other during casting of the molding compound.
  • no mold box is necessary in the inventive form.
  • Such a molding box in particular hinders the production of graded and / or reinforced
  • Heat shield elements since the mold parts are inaccessible arranged in the inner mold box during the Hers damages a heat shield element.
  • the mold is composed of a plurality of parts to be firmly bonded together for the molding process for forming the one-piece mold shell, easy removal of the cured heat shield element by detaching the individual parts from each other is possible.
  • the mold according to the invention In contrast to the prior art mold in which one side of the mold is completely missing during pouring, in the mold according to the invention there is a mold surface with a pouring opening for feeding the mold. In other words, the molding surface in which the pouring opening is present determines the corresponding surface of the heat shield element at least partially. With the mold according to the invention, therefore, all surfaces of the heat shield element can at least approach be formed without a pressing of the heat shield element would be necessary.
  • the rudimentary molding surface in the region of the pouring opening leads to the fact that superfluous casting material present in the region of the inlet opening after hardening with the aid of the
  • Form surface formed approach the heat shield element surface can be removed as a reference surface. The removal of excess material and the finishing of the heat shield element is therefore possible with relatively little effort.
  • the dimensions of the molded heat shield element do not depend on the cast-in amount of material when using the mold according to the invention, since no pressing takes place. Since in the pressing process according to the prior art, the mold is completely closed, there is no possibility for the casting material to emerge from the mold. Fluctuating amounts of casting material therefore lead to the production of heat shield elements of different thickness. On the other hand, in the mold according to the invention, excess casting material can escape through the pouring opening, without thereby affecting the dimensions of the heat shield element. In addition, occurs in casting and no springback of the mold under pressing pressure. The mold according to the invention therefore makes it possible to produce heat shield elements with reduced tolerances.
  • the mold according to the invention comprises, in particular, molding surfaces for forming a large-area first surface and a large-area second surface, as well as molding surfaces for molding peripheral surface areas which extend from the first surface to the second surface in comparison to these.
  • the pouring port is then formed in a mold surface for molding one of the peripheral surfaces.
  • At least one separating element is provided, with which different regions can be separated from each other in the interior of the mold shell.
  • the separating element is designed in this way and to arrange in the mold shell that it can be removed again from the interior of the mold shell before the ceramics are cast without the mold being opened.
  • this embodiment makes it possible to produce graded heat shield elements, that is to say such heat shield elements, which comprise at least two regions which consist of materials having different material properties.
  • the preparation of a graded heat shield element can then be done, for example, by the inserts are inserted into the mold before pouring the ceramic material, then the ceramic material is poured and after the pouring of the ceramic, the bays are removed again. After removal of the inserts, the different ceramic material can come into contact with each other and thus form a cohesive connection during curing. It is also possible that the adjoining materials mix on removal of the separating elements in the boundary region, so that after curing, a heat shield element is present, in which the two materials have a smooth transition into each other.
  • the at least one separating element can in particular be designed as a push-in for insertion into the mold shell through the pouring opening.
  • Another possibility is to provide two inserts, which cover the interior of the mold shell in a central area and in two areas opposite each other Form surfaces facing the molding of peripheral surfaces of the heat shield element, separate.
  • this can comprise at least one retaining element to be inserted into the interior of the shell mold.
  • the retaining element is designed and arranged such that it can fix a body, for example a reinforcing element, in the interior of the shell mold and that it can be removed from the interior of the shell even before the cast ceramic material has hardened.
  • a body for example a reinforcing element
  • the retaining pins may be arranged in the molding surface for molding a large-area first surface and / or in the molding surface for molding a large-area second surface.
  • bodies such as, for example, reinforcing elements can be held in the interior of the mold when the ceramic material is poured in. After the ceramic material is poured in, the holding elements can be removed from the interior of the mold, so that the body is held solely by the surrounding ceramic material. After curing, the body forms a body cast into the ceramic heat shield element. In this way, for example, high-strength reinforcing elements can be introduced into a ceramic heat shield element.
  • 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 1 in a section along the line A-A.
  • FIG. 2b shows a modification of that shown in FIG. 2a
  • Heat shield element in a section along the line B-B of Figure 1.
  • Figure 3 shows a second embodiment of the heat shield element shown in Figure 1 in a section along the line A-A.
  • Figure 4 shows a third embodiment of the heat shield element shown in Figure 1 in a section along the line A-A.
  • 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 production 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.
  • Figure 7 shows a ceramic heat shield element in a perspective view.
  • Figure 8 shows schematically a mold for producing a heat shield element, as shown in Figure 7, in a perspective view.
  • FIG. 9a shows the press mold shown in FIG. 8 in a sectioned side view.
  • Figure 9b shows the mold shown in Figure 8 in a plan view.
  • FIG. 10 shows the individual parts of a first exemplary embodiment of the mold according to the invention.
  • FIG. 11 shows the individual parts of a second exemplary embodiment of the mold according to the invention.
  • FIG. 12 shows the individual parts for a third exemplary embodiment of the mold according to the invention.
  • FIG. 13 shows the form of the third exemplary embodiment in a side view.
  • Figure 14 shows the shape of the third embodiment in a plan view.
  • FIG. 15 shows an opened mold according to the invention with a ceramic heat shield element arranged therein.
  • FIG. 16 shows a mold shell with it arranged
  • FIG. 17 shows a mold shell with a feed arranged therein for separating different regions in the interior of the mold shell.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a ceramic heat shield element 501 according to the invention.
  • the heat shield element 501 has a hot side 503 which, after installation of the heat shield element 501 in a heat shield, faces the hot medium.
  • Opposite the hot side 503 is the cold side 505 of the heat shield element 501, which, after installation in a heat shield, faces the supporting structure of the combustion chamber wall and thus faces away from the hot medium.
  • Hot side 503 and cold side 505 are connected to each other via first peripheral surfaces 507 and second peripheral surfaces 509.
  • the second peripheral surfaces 509 have grooves 511 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 liner.
  • the first circumferential flats 507 have no groove.
  • the hot side 503, the cold side 505, the first peripheral surfaces 507 and the second peripheral surfaces 509 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 AA from FIG. 1.
  • the hot side 513, the cold side 515 and the groove-free peripheral surfaces 517 of the heat shield element 510 of the first embodiment can be seen.
  • the heat shield element 510 has a first material region 519 and second material regions 521, which differ from the material region 519 by their thermal expansion coefficient.
  • the thermal expansion coefficient of the material regions 521 is greater than the thermal expansion coefficient of the material region 519. In this sense, the material region 519 has a relatively low thermal expansion coefficient, whereas the material regions 521 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 510 area-wide.
  • the heat shield elements 510 are attached to one another in such a way that expansion gaps remain between adjacent heat shield elements 510. These expansion gaps serve to allow expansion of the heat shield elements 510 during operation of the combustion chamber due to the high operating temperatures without the heat shield elements 510 touching each other.
  • the expansion gaps are flushed with sealing air, which simultaneously serves to cool the retaining clips holding the heat shield elements 510.
  • lower temperatures prevail at the first peripheral surfaces 517, which are surrounded by the restricted air flow, and the second peripheral surfaces (also not visible in FIG. 2a) during operation of the combustion chamber than in the central region 513 of the heat shield element 510. Therefore, during operation of the combustion chamber the centrally located material region 519 of a conventional heat shield element experiences a higher thermal expansion than the material regions 521 located in the region of the peripheral surfaces. In the low temperature regions, which are positively connected to the region of higher temperature, tensile stresses are thus formed.
  • the stresses described with reference to a conventional heat shield element are reduced, in particular in the cool peripheral regions, since the material regions 521 have a higher coefficient of thermal expansion than the central material region 519.
  • the higher temperature of the central material region 519 thus becomes the larger thermal expansion coefficient of the material areas 521 in the region of the peripheral surfaces 517 balanced.
  • the thermal expansion coefficients of the material regions 519 or 521 and the extent of these material regions in the material volume of the heat shield element 510 can be numerically optimized in such a way that the stresses in the heat shield element 510 are minimized.
  • the expansion of the material regions 521 can be determined with relatively high coefficients of thermal expansion, by first performing a calculation of the temperature field which is set in the desired operating state under corresponding boundary conditions in the heat shield element 510. Subsequently, based on this result, the size of the regions 521 for the selected coefficient of thermal expansion can be adjusted so that this minimizes the stresses in the heat shield element 510.
  • 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 521 and to find suitable thermal expansion coefficients by means of an optimization.
  • the heat shield element 510 in the area of the groove-free peripheral surfaces 517 of the heat shield element, material regions 521 with a thermal expansion coefficient increased compared to the central material region 519 and reduced thermal conductivity are shown. available. Additionally or alternatively, the heat shield element 510 according to the invention can also have material regions 520 with an increased thermal expansion coefficient and reduced thermal conductivity in the region of the second circumferential surfaces compared to the central material region 519, ie in the region of the peripheral surfaces provided with grooves 518 (FIG.
  • FIG. 3 A second embodiment of the heat shield element according to the invention is shown in Figure 3 in section.
  • the section runs along the line A-A shown in FIG. Accordingly, the hot side 613, the cold side 615 and the groove-free peripheral surfaces 617 of the heat shield element 610 can be seen.
  • the heat shield element 610 has on the hot side a material region 619 with a relatively low coefficient of thermal expansion and / or a relatively low thermal conductivity. On the cold side, it has a material region 621 with an increased thermal expansion coefficient, increased thermal conductivity and / or increased mechanical load capacity compared to the hot-side material region 619. In addition, the material of the cold side material region is selected so that it has a higher strength than the material of the hot side material region. The thermal resistance of the cold-side material region does not require as great a weight as the thermal resistance of the hot-side material region, which has properties particularly adapted to the hot gas conditions. Due to the increased strength of the cold-side material area, the strength of the heat shield element increases overall.
  • the thickness of a material range can be from a few millimeters up to about 40 mm. In the case of a thin material region, the respective other material region is correspondingly thicker and vice versa.
  • the embodiment of the latter embodiment takes into account the fact that the hot side 613 of a heat In the heat shield element 610, therefore, a temperature gradient forms from the hot side 613 to the cold side 615.
  • the lower temperature of the cold side material region 621 is then compensated during operation of the combustion chamber by its higher thermal expansion coefficient than the hot side material region 619. Voltages due to the temperature gradient can therefore be reliably avoided.
  • the increased strength of the heat shield element causes once formed cracks to not spread so easily towards the center of the heat shield element.
  • silicon oxide SiO 2
  • corundum aluminum oxide Al 2 O 3
  • zirconia zirconium oxide, ZrO 2
  • silicon carbide SiC
  • silicon nitride Si 3 N 4
  • lanthanides are present as doping.
  • the cold-side material region additionally has metallic phases, for example iron (Fe).
  • metallic phases for example iron (Fe).
  • Fe iron
  • the material properties of the different material areas are influenced by the differences in the percentage compositions of the constituents and by suitable choice of the dopants and additional constituents (once with and once without Fe).
  • the hot-side material region can be produced from a material mixture having a weight fraction of more than approximately 50% aluminum oxide and a weight fraction of less than 50% aluminum silicate, such that the hot-side material region of the fired heat shield element of a refractory lining represents a percentage by weight of more than about 50% and less than about 90% alumina and / or a weight fraction of more than about 10% and less than about 50% aluminum silicate.
  • the hot-side material mixture may have a weight fraction of less than about 10% colloidal silica solution, which silica solution preferably contains a weight fraction of more than about 30% solids, may be added.
  • a liquid in particular water, with a weight fraction of more than about 1% and less than about 10% can be added to the material mixture, as well as reactive alumina with a weight fraction of less than about 30%, in particular less than about 25%, to achieve the desired properties of the hot side material region of the two-layered heat shield element.
  • the cold side material region can be made from a material blend having a weight fraction greater than about 50% silicon carbide and a weight fraction less than about 50% aluminum silicate. In the same ratio as the material mixture on which the hot-side material region is based, it is also possible to add silicic acid solution, water and reactive alumina to the cold-side material mixture. Particularly advantageously, the material mixture for the cold side material region has a weight fraction of more than approximately 5% and less than approximately 20% aluminum oxide and a weight fraction of more than approximately 5% and less than approximately 30% microsilica in order to achieve the different properties of the hot side and cold-side material areas.
  • 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 713, the hot side 715 and the groove-free peripheral surfaces 717 of the heat shield element 710 can be seen.
  • the heat shield element 710 has a first, hot-side material region 719 with a first coefficient of thermal expansion, peripheral second material regions 721 with a second thermal expansion coefficient and a cold-side material region 723 with a third coefficient of thermal expansion.
  • the second and third thermal expansion coefficients also be identical.
  • FIG. 5a shows a first step of the production method
  • FIG. 5b shows a second step.
  • the method includes casting material blends into a mold 840 so as to form a green body, and then sintering the green compact 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 mixture of materials 821 having a first composition is poured into the mold 840 ( Figure 5a).
  • a material mixture 819 having a second composition is poured over the first material mixture 821.
  • the material mixtures described with reference to the second embodiment can be used.
  • the consistency of the material mixtures is such that no complete mixing of the two material mixtures occurs. However, mixing at the interface 820 is desirable.
  • compositions of the material mixtures 819 and 821 are selected so that the material mixture 819 after sintering has a lower coefficient of thermal expansion than the material mixture 821.
  • a heat shield element according to the invention can also be produced without such mixing.
  • a heat shield element is obtained, as shown in FIG.
  • it is cast horizontally, ie either the part of the casting mold serving for forming the hot side or the part of the casting mold serving for forming the cold side, represents the underside of the casting mold
  • the part of the casting mold used to form the cold side represents the underside.
  • the casting of the heat shield element takes place when the casting mold is stationary, i. that part of the casting mold which forms the cold side and that part of the casting mold which forms the hot side are side walls of the casting mold, whereas the lower face of the casting 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.
  • stencils 846, 847 may serve to separate different regions 848, 849, 850 of mold 845 from each other.
  • different material mixtures are poured. For example, three different material mixtures can be used with the mold from 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 919 is placed in a mold 940, 950 and then pressed.
  • the result is a green body 910 of the heat shield element.
  • This green compact 910 is shown in FIG. 6b. It can be seen the hot side 913, the cold side 915 and the groove-free peripheral surfaces 917 of the green body 910.
  • the green body 910 is impregnated with a liquid that influences the sintering process.
  • the liquid is selected so that the impregnated regions 921 after sintering have a higher coefficient of thermal expansion and / or a higher strength than the non-impregnated region 919.
  • the grooved circumferential surfaces of the green body 910 may also be soaked to increase the thermal expansion coefficient and / or the strength 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 material mixtures can be filled using stencils.
  • 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 to use FIG the same process heat shield elements, as shown in Figures 2 or 4, 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.
  • FIG. 10 A first exemplary embodiment of a mold according to the invention for producing a ceramic heat shield element, as shown schematically in FIG. 1, is shown in FIG. 10.
  • the FIGURE shows the individual parts of the mold shell, which are firmly but detachably connected to each other before casting a ceramic material.
  • the connection takes place in the present embodiment by means of clamping connections, but it can just as well by means of other releasable connections, for example. Screw connections, brought about.
  • clamping connections have the advantage over screw connections that they can be manufactured and loosened without tools.
  • the individual parts which can be connected to the mold shell comprise the shell elements 1 and 3 which have molding surfaces 2 and 4 with which the hot side 102 and the cold side 104 of the heat shield element 100 are formed.
  • side parts 5 and 7 are present, which each have a spring-like projection 6, 8. These two items form the molding surfaces for the grooves 110 provided circumferential sides 108 of the heat shield element 100.
  • the spring-like projections 6, 8 serve to form the grooves.
  • the mold shell comprises a bottom element 9 which has a forming surface 10 for forming one of the peripheral sides 106 of the heat shield element 100 without grooves.
  • the shape is on the bottom element.
  • the two shell elements 11, 13, which lie opposite the bottom element 9 in the composite shell mold.
  • the two shell elements 11, 13 are provided with recesses 12, 14, which are arranged such that they form a pouring opening for pouring the ceramic material after assembly of the two shell elements 11, 13.
  • these two shell parts each have a forming surface 15, 17, are formed with the edge regions of the second peripheral side 106 without a groove.
  • webs 16, 18 are provided, with which the pouring of the assembled shell mold is divided into two partial openings. If the ceramic material is poured only in one partial opening, air can escape from the interior of the shell mold through the other partial opening.
  • FIG. 15 shows the mold shell in the partially assembled state after the casting of a ceramic heat shield element 100.
  • the shell parts 4, 5 and 7 from FIG. 10 can be seen.
  • FIG. 15 shows in particular that parts of the peripheral side 106 are formed during casting in the region of the pouring opening. Casting residues 112 on the ceramic heat shield element 100 are mechanically removed after curing.
  • the already formed parts of the peripheral side 106 can serve as a reference surface.
  • the shell element 1 is equipped with four clamping elements 19, which engage with hooks 20 of the shell element 3. can be brought and tightened.
  • the shell element 1 In order to prevent slippage of the side elements 5, 7, of the base element 9 arranged between the shell elements 1 and 3 and of the shell elements 11 and 13 forming the pouring opening during clamping, there are formed form protrusions 21 with various form protrusions or recesses of other shell elements interact positively.
  • pins 22 are present, which engage in receptacles 23 of adjoining mold elements and thus prevent a displacement of the mold elements against each other.
  • the mold shown in FIG. 10 also includes slots 24 which can be inserted through the pouring hole into the interior of the mold tray to separate different areas inside the mold tray.
  • guide grooves 25 are present in the shell element.
  • the shell element 11 has guide recesses 26 for guiding the inserts 24.
  • the inserts 24 are inserted into the composite shell mold prior to casting a heat shield element, so that in its interior regions which are adjacent to the shell elements 5, 7 with the spring-like projections 6, 8 are separated from a central region.
  • Shell elements 5, 7 adjacent areas a different ceramic material is poured than in the central region of the shell mold. After pouring the inserts 24 are removed from the shell mold, so that the two materials can mix together in the border area and produce a cohesive connection during curing. In this way, graded heat shield elements can be produced.
  • the composite shell mold with Einschub arranged therein is shown in Fig. 16.
  • FIG. 11 shows the Mold shell of the mold in individual parts. To avoid repetition, only the differences from the form shown in FIG. 10 will be discussed.
  • the reference numerals of the shell elements shown in Figure 11 are consistent with the reference numerals of the corresponding shell elements of Figure 10.
  • the mold shown in FIG. 11 comprises only one insert 34, which is suitable for bringing the interior of the composite molding shell into a hot-side region, i. a portion adjacent to the shell member 1 having the molding surface 2 for forming the hot side 102 and a cold side portion, i. an area adjacent to the shell member 3 with the molding surface 4 for molding the cold side 104 separates. Accordingly, no guide grooves are present in the shell elements 1 and 11. Instead, the spring-like projections 6 and 8 have guide grooves for guiding the insert 34.
  • FIG. 17 The composite shell mold of Figure 11 with therein arranged insertion is shown in FIG. 17.
  • FIG. 12 shows the mold shell disassembled into its individual parts.
  • the individual parts are designated by the same reference numerals as the corresponding individual parts from FIGS. 10 and 11.
  • the mold shell of Figure 12 is not intended for the insertion of inserts. Accordingly, the shell elements also have no guide grooves for such molded parts.
  • retaining pins 40 are present, which are arranged to be movable so that they in composite shell mold from the exterior of the shell elements 1, 3 from are introduced into the interior of the mold shell.
  • a retaining pin plate 42 supporting the retaining pins 40 is arranged on the outside of the shell molds 1, 3, the distance of which can be varied from the outside of the respective shell element 1, 3 by means of a crank 44 or by means of an automated embodiment of the retaining pins 40.
  • the retaining pins 40 can be used as holding elements to, for example, to keep reinforcing elements during the pouring of the ceramic material in the interior of the shell mold.
  • Holding can be accomplished, for example, solely by pressing the holding pins 40 against the reinforcing element from two opposite sides and fixing the latter by means of the resulting friction.
  • reinforcing elements in particular planar reinforcing elements can be introduced into the interior of the shell mold, which for example extend parallel to the hot side or cold side 102, 104 of the heat shield element 100 to be formed.
  • rod-shaped or bone-shaped reinforcing elements can also be introduced into the interior of the shell mold, which extend substantially along the shell elements 5, 7, 9, which form the peripheral sides 106, 108 of the heat shield element 100. In the finished heat shield The reinforcing elements then extend along the peripheral sides 106, 108.

Abstract

Es wird ein Hitzeschildelement zur Verfügung gestellt mit einer einem heissen Medium zuzuwendenden Heissseite (113), einer dem heissen Medium abzuwendenden Kaltseite (115), die Heissseite (113) mit der Kaltseite (115) verbindenden Umfangsseiten (117) und einem von der Heissseite (113), der Kaltseite (115) und den Umfangsseiten (117) begrenzten Materialvolumen, in dem das Materialvolumen mindestens zwei Materialbereiche (119, 121) aus unterschiedlichen Materialien umfasst, wobei sich die Ma­terialien wenigstens in ihren Festigkeiten und/oder thermischen Ausdehnungskoeffizienten voneinander unterscheiden.

Description

Beschreibung
Hitzeschildelement, Verfahren und Form zu dessen Herstellung, Heißgasauskleidung und Brennkammer
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hitzeschildelement, insbesondere ein keramisches Hitzeschildelement, ein Verfahren zum Herstellen eines keramischen Hitzeschildelementes, eine aus Hitzeschildelementen aufgebaute Heißgasauskleidung sowie eine mit einer Heißgasauskleidung versehene Brennkammer, die insbesondere als Gasturbinenbrennkammer ausgebildet sein kann. Außerdem betrifft die Erfindung eine Form zur Herstellung eines keramischen Hitzeschildelementes.
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 Heißgasauskleidung, bspw. in Form eines keramischen Hitzeschildes, realisiert werden. Eine derartige Heißgasauskleidung ist 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 Heißgasauskleidung 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 Bl beschrieben.
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 sie auch bei maxi- maier 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 Brenn- kammerinneren strömenden Sperrluftstrom gespült. Als Sperrluft findet in der Regel Luft Verwendung, die gleichzeitig als Kühlluft zum Kühlen von die Hitzeschildelemente haltenden Haltklammern dient, was u. a. zum Auftreten von Temperaturgradienten im Bereich der Kanten eines Hitzeschildelementes führt. Infolge des Spülens der Dehnspalte mit Sperrluft werden die die Spalte begrenzenden Umfangsseiten ebenso wie die Kaltseite der Hitzeschildelemente gekühlt. Andererseits findet an der Heißseite der Hitzeschildelemente ein hoher Wärmeeintrag aufgrund des Heißgases statt. Es stellt sich daher innerhalb eines Hitzeschildelementes eine dreidimensionale Temperaturverteilung ein, die durch einen Temperaturabfall von der Heißseite zur Kaltseite sowie durch eine von zentralen Punkten des Hitzeschildelementes zu den Kanten hin auftretenden Temperaturabfall geprägt ist. Daher kommt es insbe- sondere bei keramischen Hitzeschildelementen auch ohne die
Berührung benachbarter Hitzeschildelemente zu Spannungen auf der Heißseite, welche zu Rissbildungen führen und damit die Lebensdauer der Hitzeschildelemente negativ beeinflussen können.
Typischerweise sind die Hitzeschildelemente in einer Gasturbinenbrennkammer flach ausgebildet und parallel zur Tragstruktur angeordnet. Ein Temperaturgradient, der senkrecht zur Oberfläche der Tragstruktur verläuft, führt dabei nur zu vergleichsweise geringen thermischen Spannungen, solange für das keramische Hitzeschildelement im Einbauzustand eine Vorbeugung in Richtung auf das Innere der Brennkammer ohne Behinderung möglich ist. Ein zur Tragstruktur parallel verlaufender Temperaturgradient wie derjenige, der von den Umfangsflachen des Hitzeschildelementes ausgehend zum Zentrum des Hitzeschildelementes ver- läuft, bringt infolge der Steifigkeit plattenähnlicher Geometrien bezüglich Verformungen parallel zu ihrer größten Projektionsfläche rasch erhöhte ThermoSpannungen mit sich. Diese führen dazu, dass die kalten Kanten der Umfangsflachen infolge ihrer vergleichsweise geringen thermischen Dehnung von heißeren Zentralbereichen, die einer größeren thermischen Dehnung unterworfen sind, unter Zug gesetzt werden. Dieser Zug kann bei Überschreiten der Materialfestigkeit zur Bildung von Rissen führen, die von den Kanten des Hitzeschildelementes ausgehen und in Richtung auf zentrale Bereiche des Hitze- schildelementes verlaufen.
Die Risse vermindern den tragenden Querschnitt des Hitzeschildelementes. Je länger die Risse sind, desto kleiner ist der tragende Restquerschnitt des Hitzeschildelementes. Die thermisch bedingten Risse können sich durch im Betrieb der
Gasturbinenanlage auftretende mechanische Belastungen verlängern, was zu einer weiteren Reduzierung des Restquerschnittes führt und den Austausch des Hitzeschildelementes nötig machen kann. Derartige mechanische Belastungen treten beispielsweise bei oszillierenden Beschleunigungen der Brennkammerwand auf, die durch VerbrennungsSchwingungen, also Schwingungen in den Verbrennungsabgasen verursacht werden können.
Um den Bedarf an Sperrluft - und damit thermisch bedingte Spannungen in Hitzeschildelementen - zu verringern, wurde in EP 1 302 723 Al 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. Alternative Vorgehensweisen bestehen darin, Hitzeschildelemente aus Metall zu verwenden. Metallische Hitzeschildelemente weisen zwar gegenüber Temperaturschwankungen und mechanischen Belastungen eine höhere Widerstandsfähigkeit als ke- ramische Hitzeschildelemente auf, erfordern jedoch bspw. in Gasturbinenbrennkammern 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.
Um Rissbildungen zu minimieren ist man daher in der Regel bemüht, die thermische Belastung der Hitzeschildelemente eines Hitzeschildes möglichst gering zu halten.
Derzeit ist es üblich, keramische Hitzeschildelemente zu gießen oder zu pressen. Zur Veranschaulichung des Gieß- bzw. Pressvorganges werden nachfolgend mit Bezug auf die Figuren 7 bis 9 ein Hitzeschildelement sowie eine Form zum Herstellen des Hitzeschildelementes beschrieben.
Das in Figur 7 dargestellte keramische Hitzeschildelement 100 weist eine Heißseite 102 auf, die dem Heißgas zugewandt ist, wenn das Hitzeschildelement 100 in den Hitzeschild einer
Brennkammer eingebaut ist. Der Heißseite 102 gegenüber befindet sich die Kaltseite 104, die der zu schützenden Brennkammerwand zugewandt ist, wenn das Hitzeschildelement 100 in einen Hitzeschild eingebaut ist. Zudem sind Umfangsseiten 106, 108 vorhanden, die sich zwischen der Heißseite 102 und der Kaltseite 104 erstrecken. Zwei einander gegenüberliegende Umfangseiten 108 sind zudem mit Nuten 110 versehen, die zum Fixieren des Hitzeschildelementes 100 an der tragenden Wandstruktur mittels Halteklammern dienen.
Figur 8 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine Pressform 200 zum Herstellen des Hitzeschildelementes aus Figur 7. Die Form 200 besteht aus einer Anzahl von Formteilen 202a bis 202e, die in einen Formkasten 203 eingesetzt und von diesem in Position gehalten werden. Die Innenflächen 204, 206, 208 der Formteile 202a bis 202e stellen die Formflächen zum Formen der Oberfläche des Hitzeschildelementes 100 dar. So dient bspw. die Innenfläche 204 zum Formen der Kaltseite 104 des Hitzeschildelementes 100, die Innenflächen 206 zum Formen der Seitenflächen 106 ohne Nut und die Innenflächen 208 zum Formen der Seitenflächen 108 mit Nut 110. Die Innenflächen 208 weisen zum Ausformen der Nuten 110 federartige Vorsprünge 210 auf.
Zum Herstellen des keramischen Hitzeschildelementes 100 wird eine keramische Formmasse 220 in die Form 200 mit den eingesetzten Formteilen 202a bis 202e eingegeben und anschließend mittels eines Stempels 212 in Form gepresst . Die der Formmasse 220 zugewandte Fläche 214 des Stempels 212 formt dabei die Heißgasoberfläche 102 des keramischen Hitzeschildelementes 100. Der zum Pressen der Formmasse 220 notwendige Pressdruck erfordert, dass die Form 200 beim Pressen vollständig geschlossen ist, d.h. der Stempel 212 muss passgenau zur Form 200 ausgebildet sein. Außerdem kann der Pressdruck zu einem Rückfedern der Formteile führen. Schwankungen in der Materialmenge der Formmasse 220 können zudem zu Schwankungen in der Dicke des fertigen keramischen Hitzeschildelementes führen.
Alternativ zum Pressen kann das Hitzeschildelement 100 auch unter Verwendung der Form 200 gegossen werden, d.h. ohne dass ein Pressvorgang stattfindet. Da das Hitzeschildelement 100 liegend gegossen wird, ist jedoch entweder die Heißseite 102 oder die Kaltseite 104 beim Gießvorgang durch die Form nicht definiert. Die nicht definierte Seite erfordert nach dem Gießen eine aufwändige Nachbearbeitung, um die gewünschte Form des Hitzeschildelementes 100 herzustellen.
Schließlich sind die beschriebenen Formen nicht geeignet, um in einem einzigen Gieß- bzw. Pressschritt ein Hitzeschildelement herzustellen, welches verschiedene Materialbereiche mit unterschiedlichen Materialeigenschaften aufweist. Auch das Herstellen von Hitzeschildelementen mit Verstärkungselementen im Inneren ist nicht möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Hitzeschild- element zur Verfügung zu stellen, welches verbesserte Eigenschaften im Hinblick auf die Rissbildung aufweist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen vorteilhaften Hitzeschild und eine mit einem vorteilhaften Hitzeschild ausgestattete Brennkammer zur Verfügung zu stellen.
Außerdem ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen vorteilhafter Hitzeschildelemente zur Verfügung zu stellen.
Schließlich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gegenüber dem beschriebenen Stand der Technik vorteilhafte Form zum Herstellen eines keramischen Hitzeschildele- mentes zur Verfügung zu stellen.
Die erste Aufgabe der Erfindung wird durch ein Hitzeschildelement nach Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch eine Heißgasauskleidung nach Anspruch 7 bzw. eine Brennkammer nach Anspruch 8, die dritte Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 9 und die vierte Aufgabe durch eine Form nach Anspruch 14. Die übrigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Ein erfindungsgemäßes Hitzeschildelement weist eine einem heißen Medium zuzuwendende Heißseite, eine dem heißen Medium abzuwendende Kaltseite sowie die Heißseite mit der Kaltseite verbindende Umfangsseiten auf. Die Heißseite, die Kaltseite und die Umfangsseiten begrenzen das Materialvolumen des Hit- zeschildelementes . Im erfindungsgemäßen Hitzeschildelement umfasst das Materialvolumen mindestens zwei Materialbereiche aus unterschiedlichen Materialien, wobei sich die Materialien wenigstens in ihren Festigkeiten und/oder thermischen Ausdehnungskoeffizienten unterscheiden.
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 Be- triebstemperaturen vorgesehen sind, einen relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, lassen sich die Spannungen innerhalb des Hitzeschildelementes beim Betrieb eines Hitzeschildes reduzieren und damit die Neigung zur Rissbildung verringern. Eine relativ niedrige bzw. relativ hohe Betriebstemperatur ist hierbei jeweils in Bezug auf die Betriebstemperatur, für die das Material der anderen Materialbereiche des Hitzeschildelementes ausgelegt ist, zu verstehen. Dasselbe gilt analog für die relativ niedrigen und den relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten.
Durch unterschiedliche Festigkeiten verschiedener Materialbereiche lässt sich die Länge entstehender Risse in vorteilhafter Weise beeinflussen. Ein festeres Material führt zu einer erschwerten Rissausbreitung und damit insbesondere zu einer Verringerung der Länge der entstehenden Risse. Kurze, von den Kanten ausgehende Risse, die nur geringfügig in Richtung auf das Zentrum des Hitzeschildelementes vordringen (bis ca. 10% der Traglänge des Hitzeschildelementes) , beeinträchtigen die Funktionstüchtigkeit des Hitzeschildelementes sowohl theore- tisch als auch erfahrungsgemäß nicht wesentlich. Das Kombinieren von festem und weniger festem Material in einem Hitzeschildelement ermöglicht dabei den Einsatz des festen Materials selbst dann, wenn das feste Material gegenüber dem weniger festen Material eine geringere thermische Belastbarkeit besitzt. Es kann daher insbesondere vorteilhaft sein, wenn das Material in Materialbereichen, die für relativ hohe Betriebstemperaturen vorgesehen sind, eine relativ geringe Festigkeit aufweist und das Material in Materialbereichen, die für relativ niedrige Betriebstemperaturen vorgesehen sind, eine relativ große Festigkeit aufweist. Eine relativ geringe bzw. relativ große Festigkeit ist hierbei jeweils in Bezug auf die Festigkeit des Materials der anderen Materialbereiche des Hitzeschildelementes zu verstehen.
Die letztgenannte Ausgestaltung ermöglich es zudem, das Material derjenigen Materialbereiche, die für relativ hohe Betriebstemperaturen vorgesehen sind, optimal an die hohen Be- triebstemperaturen anzupassen, ohne zu sehr auf die Festigkeit des verwendeten Materials achten zu müssen. Im Gegenzug kann das Material derjenigen Materialbereiche, die für die relativ niedrigen Betriebstemperaturen vorgesehen sind, auf seine Festigkeit hin optimiert werden, ohne zu sehr auf seine thermischen Eigenschaften achten zu müssen.
Ein besonders vorteilhaftes Hitzeschildelement erhält man, wenn Materialbereiche, die für relativ hohe Betriebstemperaturen vorgesehen sind, sowohl einen relativ niedrigen thermi- sehen Ausdehnungskoeffizienten als auch eine relativ geringe Festigkeit aufweisen und Materialbereiche, die für relativ niedrige Betriebstemperaturen vorgesehen sind, sowohl einen relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten als auch eine relativ große Festigkeit aufweisen. In diesem Fall kann einerseits die Rissbildungsrate verringert werden, und andererseits kann einer Ausbreitung der dennoch entstehenden Risse entgegengewirkt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Hitze- schildelementes grenzt mindestens ein Materialbereich aus einem Material mit relativ niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten und/oder relativ niedriger Festigkeit an die Heißseite des Hitzeschildelementes an, wohingegen mindestens ein Materialbereich aus einem Material mit relativ hohem thermischem Ausdehnungskoeffizienten und/oder relativ großer Festigkeit an die Kaltseite des Hitzeschildelementes angrenzt. An der Heißseite treten beim Übergang von der Umgebungstemperatur (beispielsweise beim Stillstand einer Gastur- binenanlage) zu maximaler Betriebstemperatur (beispielsweise bei Volllast einer Gasturbinenanlage) größere Temperaturunterschiede auf als an der gekühlten Kaltseite des Hitzeschildelementes. Die verschiednen Temperaturunterschiede wer- den 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 temperaturbedingte Mate- rialausdehnung im Bereich der Kaltseite an die temperaturbedingte Materialausdehnung im Bereich der Heißseite anpassen, wodurch MaterialSpannungen im Hitzeschildelement verringert werden können. Das im Betrieb der Gasturbinenanlage kühlere Material in einem an die Kaltseite angrenzenden Materialbe- reich kann zudem im Hinblick auf seine Festigkeit optimiert werden. Dabei kann bspw. auch in Kauf genommen werden, dass dieses Material eine geringere Widerstandsfähigkeit gegenüber hohen Temperaturen besitzt als das an die Heißseite angrenzende Material .
Außerdem kann wenigstens ein Materialbereich aus einem Material mit relativ hohem thermischem Ausdehnungskoeffizienten und/oder relativ großer Festigkeit an die Umfangsflache des Hitzeschildelementes angrenzen und wenigstens ein Materialbe- reich aus einem Material mit relativ niedrigem thermischem
Ausdehnungskoeffizienten und/oder relativ geringer Festigkeit von den Umfangsflachen aus gesehen im Inneren des Materialvolumens angeordnet sein. In dieser Ausgestaltung kann außerdem auch ein Materialbereich aus einem Material mit relativ nied- rigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten und/oder relativ geringer Festigkeit an die Heißseite und ein Materialbereich aus einem Material mit relativ hohem thermischem Ausdehnungskoeffizienten und/oder relativ hoher Festigkeit an die Kaltseite angrenzen. Da insbesondere im Bereich der Umfangsflä- chen eine Kühlung der Hitzeschildelemente eines Hitzeschildes aufgrund des Sperrluftstromes erfolgt, treten in Hitzeschildelementen mit homogenem thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich der Umfangsflachen hohe Spannungen auf, die auf- grund der gegenüber dem Rest des Hitzeschildelementes besonders niedrigen Betriebstemperaturen entstehen. Dadurch, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient im Bereich der Umfangs- flächen im Vergleich zum Inneren (von den Umfangsflachen aus gesehen) des Hitzeschildelementes erhöht ist, lassen sich die auftretenden Spannungen reduzieren. Durch eine hohe Festigkeit dieses Bereiches lässt sich dagegen die Ausbreitung einmal entstandener Risse wirksam unterbinden. Vorzugsweise weist das Material im Bereich der Umfangsflachen jedoch so- wohl einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten als auch eine große Festigkeit auf.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes sind einander benachbarte Materialbereiche aus Materi- alien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und/oder unterschiedlichen Festigkeiten derart ausgestaltet, dass eine Zone des Übergangs von dem einen Materialbereich zum anderen vorliegt. In dieser Zone findet ein fließender bzw. stufenloser Übergang von dem thermischen Aus- dehnungskoeffizienten und/oder der Festigkeit des einen Materials zu dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und/oder der Festigkeit des anderen Materials statt. Aufgrund des fließenden und aneinander angepassten Übergangs insbesondere des thermischen Ausdehnungskoeffizienten lässt sich die Ge- fahr einer Zerstörung des Hitzeschildes während des Herstellungsverfahrens, insbesondere während des Sinterprozesses, der bei erhöhter und in etwa homogener Temperatur stattfindet, verringern.
Das erfindungsgemäße Hitzeschildelement kann insbesondere als keramisches Hitzeschildelement ausgestaltet sein.
Die in Folge verschiedener thermischen Ausdehnungskoeffizienten verringerte Spannungsbildung beim Auftreten räumlicher Temperaturgradienten innerhalb des keramischen Hitzeschildelementes führt zu einer verringerten Rissbildungsneigung. Durch das Vorhandensein eines Materialbereiches mit festerem Material verringert sich in einem keramischen Hitzeschild das Risiko der Ausbildung von langen Rissen. Insbesondere, wenn das keramische Hitzeschildelement sowohl Materialbereiche aufweist, deren Materialien unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, als auch Materialbereiche, deren Materialien unterschiedliche Festigkeiten aufweisen, kann daher eine höhere Lebensdauer der Hitzeschildelemente erreicht werden, was zu einer Verringerung der Austauschraten von Hitzeschildelementen in Heißgasauskleidungen führt.
Ein erfindungsgemäßer Hitzeschild, der insbesondere als ein
Hitzeschild für eine Gasturbinenbrennkammer ausgestaltet sein kann, umfasst eine Anzahl von unter Dehnspaltbelassung an ihren Umfangsflachen an einander angrenzenden Hitzeschildelementen und eine Sperrfluidzufuhr zum Zuführen eines die Dehn- spalte 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.
Eine erfindungsgemäße Brennkammer ist mit einem erfindungsgemäßen Hitzeschild ausgekleidet. Sie kann insbesondere als Gasturbinenbrennkammer ausgebildet sein.
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 und/oder der Festigkeit 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, wohingegen durch das Einstellen der Festigkeit die Ausdehnung von Rissen unterbunden werden kann, so dass infolgedessen nur kürzere Risse entstehen als im Stand der Technik.
Das Einstellen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten und/oder der Festigkeit kann bspw. erfolgen, indem beim Pressen oder Gießen für die entsprechenden Materialbereiche Grundmaterialmischungen mit unterschiedlichen Zusammensetzun- gen Verwendung finden. Insbesondere kann die Zusammensetzung der Grundmaterialmischung dabei fließend von der einen Zusammensetzung zur anderen Zusammensetzung umgestellt werden, so- dass ein fließender Übergang des thermischen Ausdehnungskoeffizienten bzw. der Festigkeit realisiert werden kann.
Alternativ ist es auch möglich, das Einstellen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten bzw. der Festigkeiten vorzunehmen, indem nach dem Pressen oder Gießen der Grundmaterial- mischung und vor dem Sintern ein Nachbehandeln mindestens eines Materialbereiches erfolgt, welcher nach dem Sintern einen gegenüber dem Rest der Grundmaterialmischung veränderten, etwa einen relativ niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, oder eine gegenüber dem Rest der Grundmaterial- mischung veränderte Festigkeit aufweisen soll. Das Nachbehan- dein 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 Aus- dehnungskoeffizienten und/oder eine veränderte Festigkeit aufweisen sollen.
Wenn das Hitzeschildelement im erfindungsgemäßen Verfahren mittels eines Gießvorganges hergestellt wird, so kann zum Gießen insbesondere eine erfindungsgemäße Form Verwendung finden, wie sie nachfolgend beschrieben ist. Eine erfindungsgemäße Form zur Herstellung eines keramischen Hitzeschildelementes weist eine Formschale auf, die eine Anzahl Formflächen und eine Eingießöffnung zum Eingießen eines Keramikmaterials umfasst . Die Formschale ist als beim Gießen einteilige Formschale ausgeführt und die Eingießöffnung ist als Öffnung in einer der Formflächen ausgebildet. Der Ausdruck „beim Gießen einteilige Formschale" soll in diesem Zusammenhang nicht dahingehend zu verstehen sein, dass die Formschale aus einem einzigen Stück monolithisch gebildet ist, sondern vielmehr dahingehend, dass die Formschale beim
Eingießen der Gießmasse nicht aus zwei nicht fest miteinander verbundenen Elementen, bspw. aus lediglich in einen Formkasten eingesetzten Formteilen und einem Stempel wie mit Bezug auf die Figuren 8, 9a und 9b beschrieben, besteht. Die erfin- dungsgemäße Form kann jedoch aus einer Anzahl von Einzelteilen zusammengesetzt sein, solange diese beim Eingießen der Formmasse fest miteinander verbunden sind. Im Unterschied zur eingangs beschriebenen Form ist bei der erfindungsgemäßen Form kein Formkasten nötig. Ein solcher Formkasten behindert insbesondere das Herstellen gradierter und/oder verstärkter
Hitzeschildelemente, da die Formteile während des Hersteilens eines Hitzeschildelementes unzugänglich im Inneren Formkastens angeordnet sind.
Wenn die Form aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt ist, die für den Eingießprozess zum Bilden der einteiligen Formschale fest miteinander zu verbinden sind, ist ein leichtes Entfernen des ausgehärteten Hitzeschildelementes durch Lösen der Einzelteile voneinander möglich.
Im Unterschied zur Form nach Stand der Technik, in dem beim Eingießen eine Seite der Form vollständig fehlt, ist in der erfindungsgemäßen Form eine Formfläche mit einer Eingießöffnung zum Speisen der Form vorhanden. Mit anderen Worten, die Formfläche, in welcher die Eingießöffnung vorhanden ist, legt die entsprechende Fläche des Hitzeschildelementes wenigstens ansatzweise fest. Mit der erfindungsgemäßen Form können daher alle Flächen des Hitzeschildelementes wenigstens ansatzweise ausgeformt werden, ohne dass ein Pressen des Hitzeschildelementes nötig wäre. Die ansatzweise vorhandene Formfläche im Bereich der Eingießöffnung führt hierbei dazu, dass im Bereich der Eintrittsöffnung vorhandenes überflüssiges Gießma- terial nach dem Aushärten unter Zuhilfenahme des von der
Formfläche gebildeten Ansatzes der Hitzeschildelementfläche als Referenzfläche entfernt werden kann. Das Entfernen überschüssigen Materials und die Fertigbearbeitung des Hitzeschildelementes ist daher mit relativ geringem Aufwand mög- lieh.
Zudem hängen die Abmessungen des gegossenen Hitzeschildelementes bei Verwendung der erfindungsgemäßen Form nicht von der eingegossenen Materialmenge ab, da kein Pressen erfolgt. Da beim Pressvorgang nach Stand der Technik die Form vollständig geschlossen ist, besteht für das Gießmaterial keine Möglichkeit, aus der Form auszutreten. Schwankende Gießmaterialmengen führen daher zur Produktion von Hitzeschildelementen unterschiedlicher Dicke. In der erfindungsgemäßen Form kann dagegen überschüssiges Gießmaterial durch die Eingießöffnung austreten, ohne dass dadurch die Abmessungen des Hitzeschildelementes beeinträchtigt werden. Außerdem tritt bei Gießen auch keine Rückfederung der Form unter Pressdruck auf. Die erfindungsgemäße Form ermöglicht daher das Herstellen von Hitzeschildelementen mit verringerten Toleranzen.
Die erfindungsgemäße Form umfasst insbesondere Formflächen zum Formen einer großflächigen ersten Fläche und einer großflächigen zweiten Fläche sowie Formflächen zum Formen von im Vergleich zu diesen kleinflächigen Umfangsflachen, welche sich von der ersten Fläche zur zweiten Fläche erstrecken. Die Eingießöffnung ist dann in einer Formfläche zum Formen einer der Umfangsflachen ausgebildet.
In einer besonderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Form ist wenigstens ein Trennelement vorhanden, mit dem verschiedene Bereiche im Inneren der Formschale voneinander abgetrennt werden können. Das Trennelement ist derart ausgebildet und in der Formschale anzuordnen, dass es noch vor dem Aushärten des eingegossenen Keramikmaterials ohne die Form zu öffnen wieder aus dem Inneren der Formschale entfernt werden kann. Diese Ausgestaltung ermöglicht insbesondere das Her- stellen gradierter Hitzeschildelemente, also solcher Hitzeschildelemente, die mindestens zwei Bereiche umfassen, welche aus Materialien mit unterschiedlichen Materialeigenschaften bestehen.
Die Herstellung eines gradierten Hitzeschildelementes kann dann bspw. erfolgen, indem vor dem Eingießen des Keramikmaterials die Einschübe in die Gießform eingesetzt werden, dann das Keramikmaterial eingegossen wird und nach dem Eingießen des Keramikmaterials die Einschübe wieder entfernt werden. Nach dem Entfernen der Einschübe kann das unterschiedliche Keramikmaterial miteinander in Kontakt treten und so beim Aushärten eine Stoffschlüssige Verbindung bilden. Es ist auch möglich, dass sich die aneinander grenzenden Materialien beim Entfernen der Trennelemente im Grenzbereich vermischen, so dass nach dem Aushärten ein Hitzeschildelement vorhanden ist, in dem die beiden Materialien einen fließenden Übergang ineinander aufweisen.
Das wenigstens eine Trennelement kann insbesondere als Ein- schub zum Einschieben in die Formschale durch die Eingießöffnung ausgebildet sein. Insbesondere kann ein Einschub vorhanden sein, der das Innere der Formschale in einen der Formfläche zum Formen der großflächigen ersten Fläche zugewandten Bereich und einen der Formfläche zum Formen der großflächigen zweiten Fläche zugewandten Bereich trennt. Dies ermöglicht bspw. das Herstellen von keramischen Hitzeschildelementen, in denen die Kaltseite andere Materialeigenschaften als die Heißseite aufweist, bspw. eine andere Festigkeit oder einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, zwei Einschübe vorzusehen, welche das Innere der Formschale in einen zentralen Bereich und in zwei Bereiche, die einander gegenüberliegenden Formflächen zum Formen von Umfangsflachen des Hitzeschildelementes zugewandt sind, trennen. Mit dieser Ausgestaltung lassen sich Hitzeschildelemente herstellen, die im Bereich zweier Umfangsseiten andere Materialeigenschaften aufweisen als im dazwischen liegenden Bereich, bspw. andere thermische Ausdehnungskoeffizienten oder eine andere Festigkeit.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Form kann diese wenigstens ein ins Innere der Formschale einzu- bringendes Halteelement umfassen. Das Halteelement ist derart ausgebildet und der Formschale angeordnet, dass es einen Körper, bspw. ein Verstärkungselement, im Inneren der Formschale fixieren kann und dass es noch vor dem Aushärten des eingegossenen Keramikmaterials wieder aus dem Inneren der Forra- schale entfernt werden kann. Bspw. können als Halteelemente Haltestifte vorhanden sein, die vom Äußeren der Formschale aus ins Innere der Formschale ein- und wieder ausgefahren werden können. Insbesondere können die Haltestifte in der Formfläche zum Formen einer großflächigen ersten Fläche und/oder in der Formfläche zum Formen einer großflächigen zweiten Fläche angeordnet sein.
Mittels der Halteelemente können Körper wie bspw. Verstärkungselemente beim Eingießen des Keramikmaterials im Inneren der Form gehalten werden. Nachdem das Keramikmaterial eingegossen ist, können die Halteelemente aus dem Inneren der Form entfernt werden, so dass der Körper alleine vom umgebenden Keramikmaterial gehalten wird. Nach dem Aushärten bildet der Körper einen in das keramische Hitzeschildelement eingegosse- nen Körper. Auf diese Weise können bspw. hochfeste Verstärkungselemente in ein keramisches Hitzeschildelement eingebracht werden.
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 1 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 Herstellungsverfah- rens 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 gezeig- ten Verfahrens.
Figur 7 zeigt ein keramisches Hitzeschildelement in einer perspektivischen Darstellung. Figur 8 zeigt schematisch eine Pressform zum Herstellen eines Hitzeschildelementes, wie es in Figur 7 gezeigt ist, in einer perspektivischen Darstellung.
Figur 9a zeigt die in Figur 8 dargestellte Pressform in einer geschnittenen Seitenansicht.
Figur 9b zeigt die in Figur 8 dargestellte Pressform in einer Draufsicht.
Figur 10 zeigt die Einzelteile eines ersten Ausführungsbeispiels für die erfindungsgemäße Form.
Figur 11 zeigt die Einzelteile eines zweiten Ausführungsbeispiels für die erfindungsgemäße Form.
Figur 12 zeigt die Einzelteile für ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Form.
Figur 13 zeigt die Form des dritten Ausführungsbeispiels in einer Seitenansicht.
Figur 14 zeigt die Form des dritten Ausführungsbeispiels in einer Draufsicht.
Figur 15 zeigt eine geöffnete erfindungsgemäße Form mit einem darin angeordneten keramischen Hitzeschildelement .
Figur 16 zeigt eine Formschale mit darin angeordneten
Einschüben zum Abtrennen verschiedener Bereiche im Inneren der Formschale.
Figur 17 zeigt eine Formschale mit darin angeordnetem Ein- schub zum Abtrennen von verschiedenen Bereichen im Inneren der Formschale. Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes keramisches Hitzeschildelement 501 in einer perspektivischen Ansicht. Das Hitzeschildelement 501 weist eine Heißseite 503 auf, welche nach dem Einbau des Hitzeschildelementes 501 in einen Hitzeschild dem heißen Medium zugewandt ist. Der Heißseite 503 gegenüber liegt die Kaltseite 505 des Hitzeschildelementes 501, welche nach dem Einbau in einen Hitzeschild der tragenden Struktur der Brennkammerwand zugewandt und somit dem heißen Medium abgewandt ist. Heißseite 503 und Kaltseite 505 sind über erste Umfangsflachen 507 und zweite Umfangsflachen 509 miteinander verbunden. Die zweiten Umfangsflachen 509 weisen Nuten 511 auf, in welche mit der Tragstruktur der Brennkammerwand verbundene Halteklammern (nicht dargestellt) eingreifen können, um das Hitzeschildelement nach dem Einbau in eine keramische Heißgasauskleidung in Position zu halten. Die ersten Umfangs- flachen 507 weisen dagegen keine Nut auf.
Die Heißseite 503, die Kaltseite 505, die ersten Umfangsflachen 507 und die zweiten Umfangsflachen 509 umschließen das Materialvolumen des Hitzeschildelementes, welches für die thermische Abschirmwirkung sorgt.
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 513, die Kaltseite 515 sowie die nutfreien Umfangsflachen 517 des Hitzeschildelementes 510 der ersten Ausführungsform zu erkennen. Das Hitzeschildelement 510 weist einen ersten Materialbereich 519 und zweite Materialbereiche 521, die sich vom Materialbereich 519 durch ihren thermischen Ausdehnungskoeffizienten unterscheiden. Der thermische Ausdehnungskoeffizient der Materialbereiche 521 ist dabei größer als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materialbereiches 519. In diesem Sinne weist der Materialbereich 519 einen relativ geringen thermischen Ausdehnungskoeffizient auf, wohingegen die Materialbereiche 521 einen relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Beim Aufbau eines Hitzeschildes, beispielsweise für eine Gasturbinenbrennkammer, wird die tragende Struktur der Brennkammerwand mit einer Anzahl Hitzeschildelementen 510 flächendeckend ausgekleidet. Die Hitzeschildelemente 510 werden dabei derart an einander angrenzend angebracht, dass Dehnspalte zwischen benachbarten Hitzeschildelementen 510 verbleiben. Diese Dehnspalte dienen dazu, eine Ausdehnung der Hitzeschildelemente 510 beim Betrieb der Brennkammer aufgrund der hohen Betriebstemperaturen zu ermöglichen, ohne dass sich die Hitzeschildelemente 510 gegenseitig berühren.
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 510 haltenden Halteklammern dient. Aus diesem Grund herrschen an den sperrluftumströmten ersten Umfangsflä- chen 517 und den ebenfalls sperrluftumströmten zweiten Um- fangsflachen (in Fig. 2a nicht zu erkennen) beim Betrieb der Brennkammer niedrigere Temperaturen als im zentralen Bereich 513 des Hitzeschildelementes 510. Beim Betrieb der Brennkammer würde daher der zentral gelegene Materialbereich 519 eines konventionellen Hitzeschildelementes eine höhere thermische bedingte Ausdehnung erfahren als die im Bereich der Umfangsflachen gelegenen Materialbereiche 521. 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 521 würden in einem konventionellen Hitzeschildelement in Folge ihrer vergleichsweise geringen thermischen Dehnung von dem heißen Zentralbereich 519, 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.
Im erfindungsgemäßen Hitzeschildelement 510 sind die mit Be- zug auf ein konventionelles Hitzeschildelement beschriebenen Spannungen insbesondere in den kühlen Umfangsbereichen verringert, da die Materialbereiche 521 einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizient aufweisen als der zentrale Materialbereich 519. Die höhere Temperatur des zentralen Materi- albereiches 519 wird also durch den größeren thermischen Ausdehnungsbereichkoeffizienten der Materialbereiche 521 im Bereich der Umfangsflächen 517 ausgeglichen.
Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialbereiche 519 bzw. 521 sowie die Ausdehnung dieser Materialbereiche im Materialvolumen des Hitzeschildelementes 510 können numerisch derart optimiert werden, dass die Spannungen im Hitzeschildelement 510 minimiert werden. Beispielsweise kann die Ausdehnung der Materialbereiche 521 mit relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten festgelegt werden, indem zunächst eine Berechnung des sich im angestrebten Betriebszustand bei entsprechenden Randbedingungen im Hitzeschildelement 510 einstellenden Temperaturfeldes durchgeführt wird. Anschließend kann anhand dieses Ergebnisses die Größe der Bereiche 521 für den gewählten thermischen Ausdehnungskoeffizienten so eingestellt werden, dass hierdurch eine Minimierung der Spannungen im Hitzeschildelement 510 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 521 vorzugeben und mittels einer Optimierung geeignete thermische Ausdehnungskoeffizienten zu finden.
In Figur 2a sind im Bereich der nutfreien Umfangsflachen 517 des Hitzeschildelementes Materialbereiche 521 mit gegenüber dem zentralen Materialbereich 519 erhöhtem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und reduzierter thermischer Leitfähig- keit vorhanden. Zusätzlich oder alternativ kann das erfindungsgemäße Hitzeschildelement 510 auch Materialbereiche 520 mit gegenüber dem zentralen Materialbereich 519 erhöhtem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und reduzierter thermi- scher Leitfähigkeit im Bereich der zweiten Umfangsflachen aufweisen, also im Bereich der mit Nuten 518 versehenen Umfangsflachen(Fig. 2b) .
Eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hitze- Schildelementes ist in Figur 3 im Schnitt dargestellt. Der Schnitt verläuft entlang der in Figur 1 dargestellten Linie A-A. Entsprechend sind die Heißseite 613, die Kaltseite 615 und die nutfreien Umfangsflachen 617 des Hitzeschildelementes 610 zu erkennen.
Das Hitzeschildelement 610 weist heißseitig einen Materialbereich 619 mit relativ niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und/oder relativ niedriger thermischer Leitfähigkeit auf. Kaltseitig weist es einen Materialbereich 621 mit gegenüber dem heißseitigen Materialbereich 619 erhöhtem thermischem Ausdehnungskoeffizienten, erhöhter thermischer Leitfähigkeit und/oder erhöhter mechanischer Belastbarkeit auf. Zudem ist das Material des kaltseitigen Materialbereiches so gewählt, dass es eine höhere Festigkeit als das Material des heißseitigen Materialbereiches besitzt. Auf die thermische Widerstandsfähigkeit des kaltseitigen Materialbereiches braucht dabei kein so hohes Gewicht gelegt zu werden wie auf die thermische Widerstandsfähigkeit des heißseitigen Materialbereiches, der an die Heißgasbedingungen besonders ange- passte Eigenschaften aufweist. Durch die erhöhte Festigkeit des kaltseitigen Materialbereiches erhöht sich die Festigkeit des Hitzeschildelementes insgesamt. Die Dicke eines Materialbereiches kann von wenigen Millimetern bis zu ca. 40 mm betragen. Bei einem dünnen Materialbereich ist der jeweils andere Materialbereich entsprechend dicker und umgekehrt.
Die Ausgestaltung der letztgenannten Ausführungsform trägt dem Umstand Rechnung, dass die Heißseite 613 eines Hitze- schildelementes beim Betrieb einer Brennkammer einer höheren Temperatur ausgesetzt ist als die in der Regel gekühlte KaIt- seite 615. Im Hitzeschildelement 610 bildet sich daher ein Temperaturgradient von der Heißseite 613 zur Kaltseite 615 hin aus. Die niedrigere Temperatur des kaltseitigen Material- bereiches 621 wird dann beim Betrieb der Brennkammer durch dessen im Vergleich zum heißseitigen Materialbereich 619 höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgeglichen. Spannungen aufgrund des Temperaturgradienten können daher zu- verlässig vermieden werden. Außerdem führt die erhöhte Festigkeit des Hitzeschildelementes dazu, dass sich einmal entstandene Risse nicht so leicht in Richtung auf das Zentrum des Hitzeschildelementes ausbreiten können.
Als Materialkomponenten enthalten sowohl der heißseitige
Materialbereich als auch der kaltseitige Materialbereich als Hauptbestandteile Siliziumoxid (SiO2) , Korund (Aluminiumoxid Al2O3) . Daneben sind Zirkonia (Zirkonoxid, ZrO2) , Siliziumcar- bid (SiC) uns Siliziumnitrid (Si3N4) vorhanden. Als Dotierung sind zudem Lanthanide vorhanden.
Der kaltseitige Materialbereich weist zusätzlich metallische Phasen, bspw. Eisen (Fe) auf. Die Materialeigenschaften der verschiedenen Materialbereiche werden durch die Unterschiede in den prozentualen Zusammensetzungen der Bestandteile und durch geeignete Wahl der Dotierungen und zusätzlicher Bestandteile (einmal mit und einmal ohne Fe) beeinflusst.
In einer Variante dazu kann der heißseitige Materialbereich aus einer Materialmischung hergestellt werden, die einen Gewichtsanteil von mehr als zirka 50% Aluminiumoxid und einen Gewichtsanteil von weniger als 50% Aluminiumsilikat aufweist, so dass der heißseitige Materialbereich des gebrannten Hitzeschildelementes einer feuerfeste Auskleidung einen Gewichts- anteil von mehr als zirka 50% und weniger als zirka 90% Aluminiumoxid und/oder einen Gewichtsanteil von mehr als zirka 10% und weniger als zirka 50% Aluminiumsilikat aufweist. Außerdem kann der heißseitigen Materialmischung einen Ge- wichtsanteil von weniger als zirka 10% kolloidaler Kieselsäurelösung, welche Kieselsäurelösung vorzugsweise einen Gewichtsanteil von mehr als zirka 30% Feststoff enthält, zugegeben sein. Auch eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser, mit einem Gewichtsanteil von mehr als zirka 1% und weniger als zirka 10% kann der Materialmischung zugegeben werden, ebenso wie reaktive Tonerde mit einem Gewichtsanteil von weniger als zirka 30%, insbesondere von weniger als zirka 25%, um die gewünschten Eigenschaften des heißseitigen Materialbereichs des zweischichtigen Hitzeschildelement zu erzielen.
Der kaltseitige Materialbereich kann aus einer Materialmischung herzustellt werden, die einem Gewichtsanteil von mehr als zirka 50% Siliziumcarbid und einem Gewichtsanteil von weniger als zirka 50% Aluminiumsilikat hat. Im gleichen Verhältnis wie die des heißseitigen Materialbereichs zu Grunde liegende Materialmischung kann der kaltseitigen Materialmischung auch Kieselsäurelösung, Wasser und reaktive Tonerde zugegeben werden. Besonders vorteilhaft weist die Materialmi- schung für den kaltseitigen Materialbereich einen Gewichtsanteil von mehr als zirka 5% und weniger als zirka 20% Aluminiumoxid und einen Gewichtsanteil von mehr als zirka 5% und weniger als zirka 30% Microsilica auf, um die unterschiedlichen Eigenschaften der heißseitigen und kaltseitigen Materi- albereiche herbeizuführen.
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 713, die Heißseite 715 und die nutfreien Umfangsflachen 717 des Hitzeschildelementes 710 zu erkennen. Das Hitzeschildelement 710 weist einen ersten, heißseitigen Materialbereich 719 mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten, umfangsseitige zweite Mate- rialbereiche 721 mit einem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten und einen kaltseitigen Materialbereich 723 mit einem dritten thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Dabei können der zweite und der dritte thermische Ausdehnungskoef- fizient auch identisch sein. Durch geeignete Wahl der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Materialbereiche können Spannungen, die aufgrund von Temperaturgradienten im Inneren des Hitzeschildelementes 710 auftreten, zuverlässig minimiert werden. Zudem können die Materialbereiche auch verschiedene Festigkeiten aufweisen.
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.
In allen drei hier dargestellten Ausführungsformen des erfin- dungsgemäßen Hitzeschildelementes werden relativ abrupte
Übergänge zwischen den verschiedenen Materialbereichen und damit relativ abrupte Übergänge zwischen verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten dargestellt. 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, weitge- hend homogener Temperatur stattfindet, zu vermeiden.
Es kann für den jeweiligen Anwendungsfall rechnerisch bestimmt und optimiert werden, wie die Variation des thermischen Ausdehnungskoeffizienten und/oder der Festigkeit ausge- führt werden muss, damit weder eine Zerstörung des Hitzeschildelementes während des Sintervorgangs droht, gleichzeitig aber eine optimale Wirkung zum Vermeiden der Spannungs- bildung im Betriebszustand und zum Unterdrücken der Rissausbreitung im Material erreicht wird. Hieraus kann beispiels- weise 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.
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 840, um so einen Grünling zu formen, und ein anschließendes Sintern des Grünlings zum Fertigstellen des keramischen Hitzeschildelementes.
Das Gießen der Materialmischungen ist in den Figuren 5a und 5b dargestellt. Zuerst wird eine Materialmischung 821 mit einer ersten Zusammensetzung in die Gießform 840 gegossen (Fig. 5a) . Danach wird eine Materialmischung 819 mit einer zweiten Zusammensetzung über die erste Materialmischung 821 gegossen. Es können bspw. die mit Bezug auf die zweite Ausführungsform beschriebenen Materialmischungen zum Einsatz kommen. Die Konsistenz der Materialmischungen ist dabei derart, dass keine vollständige Vermischung der beiden Material- mischungen eintritt. Eine Mischung im Bereich der Grenzfläche 820 ist jedoch erwünscht.
Die Zusammensetzungen der Materialmischungen 819 bzw. 821 sind so gewählt, dass die Materialmischung 819 nach dem Sintern einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als die Materialmischung 821.
Obwohl beim beschriebenen Herstellungsverfahren eine Vermischung der Materialmischungen 819, 821 im Bereich der Grenzfläche 820 erwünscht ist, kann jedoch auch ohne eine derartige Vermischung ein erfindungsgemäßes Hitzeschildelement hergestellt werden. Nach dem Sintern des gegossenen Hitze- schildelementes erhält man ein Hitzeschildelement, wie es in Figur 3 dargestellt ist. 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 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 Heißseite formt, sind Seitenwände der Gießform, wohingegen die Unterseite der Gieß- form ein Teil der Form ist, welcher eine der Umfangsflachen des Hitzeschildelementes formt. Diese Variante des Gießens ist in Fig. 5c dargestellt, die eine stehende Gießform in Draufsicht zeigt. In der stehenden Gießform 845 können Schablonen 846, 847 dazu dienen, verschiedene Bereiche 848, 849, 850 der Gießform 845 voneinander abzutrennen. In die verschiedenen Bereiche der 848, 849, 850 werden unterschiedliche Materialmischungen gegossen. Mit der Form aus Fig. 5c können bspw. drei verschiedene Materialmischungen zum Einsatz kommen, nämlich eine für die Bereiche 848, eine für den Bereich 849 und eine für den Bereich 850. Es ist aber auch möglich für die beiden voneinander getrennten Abschnitte 848 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.
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. Selbstverständlich ist das Verwenden von Schablonen zum Unterteilen der Gießform in unterschiedliche Materialbereiche auch bei liegender Geißform möglich.
Ein zweites Herstellungsverfahren für erfindungsgemäße Hitzeschildelemente wird nun mit Bezug auf die Figuren 6a und 6b beschrieben. In diesem Verfahren wird eine Materialmischung 919 in eine Pressform 940, 950 gegeben und anschließend ver- presst . Das Ergebnis ist eine Grünling 910 des Hitzeschildelementes. Dieser Grünling 910 ist in Figur 6b dargestellt. Es sind die Heißseite 913, die Kaltseite 915 sowie die nutfreien Umfangsflachen 917 des Grünlings 910 zu erkennen. Im Bereich der nutfreien Umfangsflachen 917 erfolgt ein Tränken des Grünlings 910 mit einer den Sintervorgang beeinflussenden Flüssigkeit. Die Flüssigkeit ist so gewählt, dass die getränkten Bereiche 921 nach dem Sintern einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten und/oder eine höhere Festigkeit aufweisen als der nicht getränkte Bereich 919.
Optional können auch die mit Nuten versehenen Umfangsflachen des Grünlings 910 (in Fig. 6b nicht zu erkennen) getränkt werden, um den thermischen Ausdehnungskoeffizienten und/oder die Festigkeit 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.
Auch beim Pressen des Hitzeschildelementes kann die Form lie- gend 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.
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.
In den vorangegangen Ausführungsbeispielen wurden hauptsächlich Materialbereiche mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten beschrieben. Es sei daher angemerkt, dass auch in denjenigen Ausführungsbeispielen, in denen bezüglich der Materialbereiche nur unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten beschrieben worden sind, diese Materialbereiche zusätzlich oder alternativ auch unterschiedliche Festigkeiten aufweisen können.
Ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Form zum Herstellen eines keramischen Hitzeschildelementes, wie es schematisch in Figur 1 dargestellt ist, zeigt Figur 10. Die Figur zeigt die Einzelteile der Formschale, die vor dem Eingießen eines Keramikmaterials fest aber lösbar miteinander verbunden werden. Das Verbinden erfolgt im vorliegenden Aus- führungsbeispiel mittels Spannverbindungen, sie kann aber ebenso gut auch mittels anderer lösbarer Verbindungen, bspw. Schraubverbindungen, herbeigeführt werden. Spannverbindungen haben jedoch gegenüber Schraubverbindungen den Vorteil, dass sie ohne Werkzeuge herzustellen und wieder zu lösen sind.
Die zu der Formschale verbindbaren Einzelteile umfassen die Schalenelemente 1 und 3, die Formflächen 2 und 4 aufweisen, mit denen die Heißseite 102 und die Kaltseite 104 des Hitzeschildelementes 100 geformt werden.
Weiterhin sind Seitenteile 5 und 7 vorhanden, welche jeweils einen federartigen Vorsprung 6, 8 aufweisen. Diese beiden Einzelteile bilden die Formflächen für die mit den Nuten 110 versehenen Umfangsseiten 108 des Hitzeschildelementes 100. Zum Ausformen der Nuten dienen hierbei die federartigen Vorsprünge 6, 8.
Außerdem umfasst die Formschale ein Bodenelement 9, welches eine Formfläche 10 zum Formen einer der Umfangsseiten 106 des Hitzeschildelementes 100 ohne Nuten aufweist. Beim Gießen des Hitzeschildelementes steht die Form auf dem Bodenelement 9.
Schließlich sind zwei Schalenelemente 11, 13 vorhanden, welche in der zusammengesetzten Formschale dem Bodenelement 9 gegenüberliegen. Die beiden Schalenelemente 11, 13 sind mit Rücksprüngen 12, 14 versehen, die derart angeordnet sind, dass sie nach dem Zusammensetzen der beiden Schalenelemente 11, 13 eine Eingießöffnung zum Eingießen des keramischen Materials bilden. Zudem weisen diese beiden Schalenteile jeweils eine Formfläche 15, 17 auf, mit der Randbereiche der zweiten Umfangsseite 106 ohne Nut geformt werden. Weiterhin sind in den Aussparungen Stege 16, 18 vorhanden, mit denen die Eingießöffnung der zusammengebauten Formschale in zwei Teilöffnungen unterteilt wird. Wenn das Keramikmaterial nur in die eine Teilöffnung eingegossen wird, kann Luft aus dem Inneren der Formschale durch die andere Teilöffnung entweichen.
Figur 15 zeigt die Formschale im teilweise zusammengesetzten Zustand nach dem Gießen eines keramischen Hitzeschildelementes 100. Es sind die Schalenteile 4, 5 und 7 aus Figur 10 zu erkennen. Figur 15 zeigt insbesondere, dass beim Gießen im Bereich der Eingießöffnung Teile der Umfangsseite 106 geformt werden. Gussreste 112 am keramischen Hitzeschildelement 100 werden nach dem Aushärten mechanisch entfernt. Die bereits ausgeformten Teile der Umfangsseite 106 können hierbei als Referenzfläche dienen.
Zum festen miteinander Verbinden der Schalenelemente ist das Schalenelement 1 mit vier Spannelementen 19 ausgestattet, welche mit Haken 20 des Schalenelementes 3 in Eingriff ge- bracht und verspannt werden können. Um ein Verrutschen der zwischen den Schalenelementen 1 und 3 angeordneten Seitenelemente 5, 7, des Bodenelementes 9 sowie der die Eingießöffnung bildenden Schalenelemente 11 und 13 beim Verspannen zu ver- hindern, sind Formvorsprünge 21 vorhanden, die mit diversen Formvorsprüngen bzw. -rücksprüngen anderer Schalenelemente formschlüssig zusammenwirken. Zudem sind Stifte 22 vorhanden, welche in Aufnahmen 23 angrenzender Formelemente eingreifen und so ein Verschieben der Formelemente gegeneinander verhin- dern.
Die in Figur 10 dargestellte Form umfasst außerdem Einschübe 24, welche durch die Eingießöffnung in das Innere der Formschale eingeführt werden können, um verschiedene Bereiche im Inneren der Formschale voneinander abzutrennen. Zum Führen der Einschübe 24 beim Einschieben in die zusammengesetzte Formschale sind im Schalenelement 1 Führungsnuten 25 vorhanden. Zudem weist das Schalenelement 11 Führungsaussparungen 26 zum Führen der Einschübe 24 auf.
Die Einschübe 24 werden vor dem Gießen eines Hitzeschildelementes in die zusammengesetzte Formschale eingeführt, so dass in ihrem Inneren Bereiche, die an die Schalenelemente 5, 7 mit den federartigen Vorsprüngen 6, 8 angrenzen, von einem zentralen Bereich abgetrennt werden. In die an die an die
Schalenelemente 5, 7 angrenzenden Bereiche wird ein anderes Keramikmaterial eingegossen als in den zentralen Bereich der Formschale. Nach dem Eingießen werden die Einschübe 24 aus der Formschale entfernt, so dass sich die beiden Materialien im Grenzbereich miteinander vermischen können und beim Aushärten eine Stoffschlüssige Verbindung herstellen. Auf diese Weise lassen sich gradierte Hitzeschildelemente herstellen.
Die zusammengesetzte Formschale mit darin angeordneten Ein- Schüben ist in Fig. 16 dargestellt.
Ein zweites Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Form ist in Figur 11 dargestellt. Wie Figur 10 zeigt Figur 11 die Formschale der Form in Einzelteilen. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird nur auf die Unterschiede zu der in Figur 10 dargestellten Form eingegangen. Die Bezugsziffern der in Figur 11 dargestellten Schalenelemente stimmen mit den Bezugs- Ziffern der entsprechenden Schalenelemente aus Figur 10 überein.
Im Unterschied zur in Figur 10 dargestellten Form umfasst die in Figur 11 dargestellte Form lediglich einen Einschub 34, welcher dazu geeignet ist, das Innere der zusammengesetzten Formschale in einen heißseitigen Bereich, d.h. einen Bereich, der an das Schalenelement 1 mit der Formfläche 2 zum Formen der Heißseite 102 angrenzt, und einen kaltseitigen Bereich, d.h. einen Bereich, der an das Schalenelement 3 mit der Form- fläche 4 zum Formen der Kaltseite 104 angrenzt, trennt. Entsprechend sind in den Schalenelementen 1 und 11 keine Führungsnuten vorhanden. Stattdessen weisen die federartigen Vorsprünge 6 und 8 Führungsnuten zum Führen des Einschubes 34 auf .
Die zusammengesetzte Formschale aus Figur 11 mit darin angeordnetem Einschub ist Figur 17 dargestellt.
Ein drittes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Form zeigt Figur 12. Wie die Figuren 10 und 11 zeigt Figur 12 die Formschale in ihre Einzelteile zerlegt. Die Einzelteile sind mit denselben Bezugsziffern bezeichnet wie die entsprechenden Einzelteile aus den Figuren 10 und 11. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird an dieser Stelle lediglich auf die Unterschiede zu den in Figur 10 und 11 dargestellten Formen Bezug genommen.
Die Formschale aus Figur 12 ist nicht für das Einschieben von Einschüben vorgesehen. Entsprechend weisen die Schalenele- mente auch keine Führungsnuten für solche Formteile auf.
Stattdessen sind in den Schalenelementen 1 und 3 Haltestifte 40 vorhanden, die derart beweglich angeordnet sind, dass sie bei zusammengesetzter Formschale vom Äußeren der Schalenele- mente 1, 3 aus in das Innere der Formschale einzubringen sind. Zu diesem Zweck ist auf der Außenseite der Formschalen 1, 3 eine die Haltestifte 40 tragende Haltestiftplatte 42 angeordnet, deren Abstand von der Außenseite des jeweiligen Schalenelementes 1, 3 mittels einer Kurbel 44 oder mittels einer automatisierten Ausgestaltung der Haltestifte 40 variiert werden kann. Wenn die Haltestiftplatte 42 ganz an der Außenseite des Schalenelementes 1 anliegt, ragen die Haltestifte 40 maximal in das Innere der Formschale hinein. Dieser Zustand ist mit Bezug auf das Schalenelement 1 in den Figuren 12 und 13 dargestellt. Weist die Haltestiftplatte 42 dagegen ihren größten Abstand von der Außenseite des Schalenelementes 1 auf, so sind die Haltestifte 40 vollständig in der Wand des Schalenelementes versenkt, so dass sie nicht mehr in das In- nere der Formschale hineinragen. Dieser Zustand ist in Fig. 14 sowie in Figur 6 beim Schalenelement 3 dargestellt.
Die Haltestifte 40 können als Halteelemente dazu genutzt werden, bspw. Verstärkungselemente während des Eingießens des Keramikmaterials im Inneren der Formschale zu halten. Das
Halten kann bspw. alleine dadurch bewerkstelligt werden, dass die Haltestifte 40 von zwei einander gegenüberliegenden Seiten aus gegen das Verstärkungselement drücken und dieses mittels der dabei entstehenden Reibung fixieren. Alternativ ist es auch möglich, im Verstärkungselement Öffnungen vorzusehen, in welche die Haltestifte 40 zum Halten des Verstärkungselementes eingreifen können.
Als Verstärkungselemente können insbesondere flächige Ver- Stärkungselemente in das Innere der Formschale eingebracht werden, die sich bspw. parallel zur Heißseite bzw. Kaltseite 102, 104 des zu formenden Hitzeschildelementes 100 erstrecken. Es können jedoch auch stab- oder knochenförmige Verstärkungselemente in das Innere der Formschale eingebracht werden, die sich im Wesentlichen entlang der Schalenelemente 5, 7, 9 erstrecken, welche die Umfangsseiten 106, 108 des Hitzeschildelementes 100 formen. Im fertigen Hitzeschildele- ment erstrecken sich die Verstärkungselemente dann entlang der Umfangsseiten 106, 108.
Nach dem Fixieren der Verstärkungselemente im Inneren der Formschale wird ein Keramikmaterial in die Formschale eingegossen. Anschließend werden die Haltestifte 40 mittels der Kurbel 44 bzw. einer Ausziehautomatik aus dem Inneren der Formschale zurückgezogen. Dieser Zustand ist in Figur 14 dargestellt. Die Verstärkungselemente werden dann alleine durch das eingebrachte Keramikmaterial in ihrer Lage fixiert.

Claims

Patentansprüche
1. Hitzeschildelement (501, 510, 610, 710, 910) mit - einer einem heißen Medium zuzuwendenden Heißseite (503, 513, 613, 713, 913)
- einer dem heißen Medium abzuwendenden Kaltseite (505, 515, 615, 715, 915)
- die Heißseite mit der Kaltseite verbindenden Umfangsseiten (508, 509, 517, 617, 717, 917) und
- einem von der Heißseite (503, 513, 613, 713, 913) , der Kaltseite (505, 515, 615, 715, 915) und den Umfangsseiten (507, 509, 517, 617, 717, 917) begrenzten Materialvolumen, dadurch gekennzeichnet, dass das Materialvolumen mindestens zwei Materialbereiche (519, 521, 619, 621, 623, 719, 721, 919, 921) aus unterschiedlichen Materialien umfasst, wobei sich die Materialien wenigstens in ihren Festigkeiten und/oder thermischen Aus- dehnungskoeffizienten voneinander unterschieden.
2. Hitzeschildelement (501, 510, 610, 710, 910) nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, dass für relativ hohe Betriebstemperaturen vorgesehene Materialbereiche (519, 619, 719) aus einem Material relativ geringer Festigkeit und/oder relativ niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten hergestellt sind, wohingegen für relativ niedrige Betriebstemperaturen vorgesehene Materialbereiche (521, 621, 721, 723) aus einem Material relativ großer Festigkeit und/oder relativ niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten hergestellt sind.
3. Hitzeschildelement (501, 510, 610, 710, 910) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein aus einem Material mit relativ geringer Festigkeit und/oder relativ niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten hergestellter Materialbereich (619, 719) an die Heißseite (613, 713) angrenzt und mindestens ein aus einem Material mit relativ großer Festigkeit und/oder relativ hohem thermischem Ausdehnungskoeffizien- ten hergestellter Materialbereich (621, 723) an die Kaltseite (615, 715) angrenzt.
4. Hitzeschildelement (501, 510, 610, 710, 910) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Materialbereich (521, 721) aus einem Material mit relativ großer Festigkeit und/oder relativ hohem thermischem Ausdehnungskoeffizienten an die Umfangsseiten (517, 717) angrenzt und wenigstens ein Materialbereich
(519, 719) aus einem Material mit relativ geringer Festigkeit und/oder relativ niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten von den Umfangsseiten (517, 717) aus gesehen im Zentrum des Materialvolumens angeordnet ist .
5. Hitzeschildelement (501, 510, 610, 710, 910) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einander benachbarte Materialbereiche aus Materialien mit unterschiedlichen Materialeigenschaften derart ausgestaltet sind, dass in einer Zone des Übergangs von dem einen Materialbereich zum anderen Materialbereich ein fließender Übergang von den Materialeigenschaften des einen Material- bereiches zu den Materialeigenschaften des anderen Materialbereiches stattfindet.
6. Hitzeschildelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Ausgestaltung als keramisches Hitzeschildelement.
7. Heißgasauskleidung, insbesondere für eine Gasturbinenbrennkammer, mit einer Anzahl von unter Dehnspaltbelassung an ihren Um- fangsflächen aneinander angrenzenden Hitzeschildelementen und einer Sperrfluidzufuhr zum Zuführen eines die Dehnspalte gegen den Eintritt von heißem Medium sperrenden Sperrfluidstroms in die Dehnspalte, dadurch gekennzeichnet, dass die Hitzeschildelemente (501, 510, 610, 710, 910) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgestaltet sind.
8. Brennkammer, insbesondere Gasturbinenbrennkammer, mit einer Heißgasauskleidung nach Anspruch 7.
9. Verfahren zum Herstellen eines keramischen Hitzeschildelementes (501, 510, 610, 710, 910) , insbesondere eines Hitzeschildelementes nach Anspruch 6, bei dem ein Pressen oder Gießen einer Grundmaterialmischung (819, 821) und ein anschließendes Sintern der ge- pressten bzw. gegossenen Grundmaterialmischung (819, 821) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Sintern der gepressten bzw. gegossenen Grundmaterialmischung (819, 821) ein Einstellen wenigstens der Festigkeit und/oder der thermischen Ausdehnungskoeffizienten verschiedener Materialbereiche erfolgt .
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellen der Materialeigenschaften verschiedener Materialbereiche erfolgt, indem beim Pressen oder Gießen für die entsprechenden Materialbereiche Grundmaterialmischungen (819, 821) mit unterschiedlichen Zusammensetzungen Verwendung finden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass beim Pressen oder Gießen benachbarter Materialbereiche die Zusammensetzung der Grundmaterialmischung (819, 821) fließend von der einen zur anderen Zusammensetzung umgestellt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellen der Materialeigenschaften erfolgt, indem nach dem Pressen oder Gießen der Grundmaterialmischung (919) und vor dem Sintern ein Nachbehandeln mindestens eines Materialbereiches (921) , welcher nach dem Sintern gegenüber dem Rest der Grundmate- rialmischung (919) veränderte Materialeigenschaften aufweisen soll, erfolgt .
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachbehandeln erfolgt, indem der mindestens eine nachzubehandelnde Materialbereich (921) mit einer Flüssigkeit getränkt wird.
14. Form zur Herstellung eines keramischen Hitzeschildelementes (501, 510, 610, 710, 910) mit einer Formschale, welche eine Anzahl Formflächen (2, 4, 6, 8, 10, 15, 17) und eine Eingießöffnung zum Eingießen eines Keramikmateri- als umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Formschale als beim Gießen einteilige Formschale ausgeführt ist und die Eingießöffnung als Öffnung in einer der Formflächen (15, 17) ausgebildet ist.
15. Form nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der Formschale Formflächen (2, 4) zum Formen einer großflächigen ersten Fläche (102) und einer großflächigen zweiten Fläche (104) sowie Formflächen (6, 8, 10, 15, 17) zum Formen von im Vergleich zur ersten und zweiten Fläche kleinflächigen Umfangsflachen (106, 108) , die sich von der ersten Fläche (102) zur zweiten Fläche (104) erstrecken, vorhanden sind, wobei die Eingießöffnung in der Formfläche (15, 17) zum Formen einer der Umfangsflachen (106) ausgebildet ist.
16. Form nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Formschale aus mehreren Einzelteilen (1, 3, 5, 7, 9, 11, 13) besteht, die für den Eingießprozess zum Bilden der einteiligen Formschale fest und insbesondere lösbar miteinander zu verbinden sind.
17. Form nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Trennelement (24, 34) vorhanden ist, mit dem verschiedene Bereiche im Inneren der Formschale voneinander abgetrennt werden können und das derart ausgebildet und in der Formschale anzuordnen ist, dass es noch vor dem Aushärten des eingegossenen Keramikmaterials ohne die Formschale zu öffnen wieder aus dem Inneren der Formschale entfernt werden kann.
18. Form nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Trennelement (24, 34) als Einschub zum Einschieben in die Formschale durch die Eingießöffnung ausgebildet ist.
19. Form nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einschub (34) vorhanden ist, der das Innere der Formschale in einen der Formfläche zum Formen des großflächigen ersten Fläche (102) zugewandten ersten Bereich und einen der Formfläche zum Formen der großflächigen zweiten Fläche (104) zugewandten zweiten Bereich trennt.
20. Form nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Einschübe (24) vorhanden sind, welche das Innere der Formschale in einen zentralen Bereich und zwei Bereiche, die einander gegenüber liegenden Formflächen zum Formen von Umfangsflachen (108) zugewandt sind, trennen.
21. Form nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein ins Innere der Formschale einzubringendes Halteelement vorhanden ist, das derart ausgebildet und in der Formschale angeordnet ist, dass es einen Körper im Inneren der Formschale fixieren kann und dass es noch vor dem Aushärten des eingegossenen Keramikmaterials wieder aus dem Inneren der Formschale entfernt werden kann, ohne die Formschale zu öffnen.
22. Form nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass als Haltelemente Haltestifte (40) vorhanden sind, die vom Äußeren der Formschale aus ins Innere der Formschale ein- und ausgefahren werden können.
23. Form nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltestifte (40) in der Formfläche (2) zum Formen einer großflächigen ersten Fläche (102) und/oder in der Formfläche (4) zum Formen der großflächigen zweiten Fläche (104) angeordnet sind.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 zum Herstellen eines keramischen Hitzeschildelementes (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 unter Verwendung eines Gießvorgangs, dadurch gekennzeichnet, dass zum Gießen eine Form nach einem der Ansprüche 14 bis 23 Verwendung findet.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009065625A1 (de) * 2007-11-23 2009-05-28 Siemens Aktiengesellschaft Brennerelement und brenner mit aluminiumoxidbeschichtung und verfahren zur beschichtung eines brennerelementes
CN102632545A (zh) * 2012-05-03 2012-08-15 张峥 一种不阻碍珍珠岩浆体膨胀的模具
DE102018205045A1 (de) * 2018-04-04 2019-10-10 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung einer keramischen Hitzeschildplatte

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2453946B (en) * 2007-10-23 2010-07-14 Rolls Royce Plc A Wall Element for use in Combustion Apparatus
GB0800294D0 (en) * 2008-01-09 2008-02-20 Rolls Royce Plc Gas heater
GB0801839D0 (en) * 2008-02-01 2008-03-05 Rolls Royce Plc combustion apparatus
GB2457281B (en) * 2008-02-11 2010-09-08 Rolls Royce Plc A Combustor Wall Arrangement with Parts Joined by Mechanical Fasteners
GB2460634B (en) * 2008-06-02 2010-07-07 Rolls Royce Plc Combustion apparatus
EP2236928A1 (de) * 2009-03-17 2010-10-06 Siemens Aktiengesellschaft Hitzeschildelement eines Hitzeschildes
US9950382B2 (en) 2012-03-23 2018-04-24 Pratt & Whitney Canada Corp. Method for a fabricated heat shield with rails and studs mounted on the cold side of a combustor heat shield
EP2775338A1 (de) * 2013-03-04 2014-09-10 Fei Company Verfahren zum Untersuchen einer Kryoprobe in einem optisches Mikroskop
US10988931B1 (en) 2013-10-25 2021-04-27 Mbrico, Llc Tile and support structure
US11371245B2 (en) 2013-10-25 2022-06-28 Mbrico, Llc Tile and support structure
US11199007B2 (en) * 2013-10-25 2021-12-14 Mbrico, Llc Tile and support structure
US10451280B2 (en) * 2015-02-16 2019-10-22 United Technologies Corporation Combustor panel having material transition region
US20180340687A1 (en) * 2017-05-24 2018-11-29 Siemens Aktiengesellschaft Refractory ceramic component for a gas turbine engine
US11506383B2 (en) * 2020-10-09 2022-11-22 Pratt & Whitney Canada Corp Combustor liner and method of operating same

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1155707B (de) * 1960-07-29 1963-10-10 Gen Refractories Ltd Manufactu Basische, feuerfeste Steine und Verfahren zu seiner Herstellung
DE2713658A1 (de) * 1977-03-28 1978-10-05 Plibrico Co Gmbh Verfahren und vorrichtung zum herstellen von feuerfesten elementen
US4485630A (en) * 1982-12-08 1984-12-04 General Electric Company Combustor liner
US4838030A (en) * 1987-08-06 1989-06-13 Avco Corporation Combustion chamber liner having failure activated cooling and dectection system
JPH08267433A (ja) * 1994-12-20 1996-10-15 Takei Kogyosho:Kk 型 枠
DE19704771A1 (de) * 1997-02-08 1998-08-13 Kobra Formen & Anlagenbau Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Einlegen einer Bewehrungsmatte in eine Form
EP1199520A1 (de) * 2000-10-16 2002-04-24 Siemens Aktiengesellschaft Hitzeschildstein zur Auskleidung einer Brennkammerwand, Brennkammer sowie Gasturbine
US20030137081A1 (en) * 2000-04-17 2003-07-24 Pitkanen Veijo Olavi Method of casting, the form used thereby and element produced therefrom
US20040110041A1 (en) * 2002-09-06 2004-06-10 Merrill Gary B. Ceramic material having ceramic matrix composite backing and method of manufacturing

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2425137A (en) 1947-08-05 Core form for casting concrete
US1943263A (en) * 1932-02-23 1934-01-09 Internat Chromium Process Corp Refractory and method of manufacture
US3174444A (en) * 1964-01-27 1965-03-23 Harbison Walker Refractories Suspended hot patch brick
GB1272591A (en) * 1968-03-28 1972-05-03 Delaney Gallay Ltd Improvements in and relating to heat shields
US4389036A (en) 1981-04-21 1983-06-21 Abou Ezzeddine Youssef Apparatus and method for forming concrete blocks, panels and the like
US4836030A (en) * 1985-05-20 1989-06-06 Lockheed Corporation Method of testing composite materials for structural damage
FR2664585B1 (fr) * 1990-07-13 1993-08-06 Europ Propulsion Structures refractaires refroidies et procede pour leur fabrication.
JPH0489215A (ja) 1990-07-31 1992-03-23 Toshiba Corp 断熱体の製造方法
EP0558540B1 (de) 1990-11-29 1995-06-14 Siemens Aktiengesellschaft Keramischer hitzeschild an einer tragstruktur
DE10017429C2 (de) * 2000-04-07 2002-04-18 Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt Verbundkeramik mit gradierter thermochemischer Schutzschicht, Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung
DE10046094C2 (de) * 2000-09-18 2002-09-19 Siemens Ag Hitzeschildstein zur Auskleidung einer Brennkammerwand
EP1191285A1 (de) * 2000-09-22 2002-03-27 Siemens Aktiengesellschaft Hitzeschildstein, Brennkammer mit einer inneren Brennkammerauskleidung sowie Gasturbine
US20060141237A1 (en) * 2004-12-23 2006-06-29 Katherine Leighton Metal-ceramic materials

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1155707B (de) * 1960-07-29 1963-10-10 Gen Refractories Ltd Manufactu Basische, feuerfeste Steine und Verfahren zu seiner Herstellung
DE2713658A1 (de) * 1977-03-28 1978-10-05 Plibrico Co Gmbh Verfahren und vorrichtung zum herstellen von feuerfesten elementen
US4485630A (en) * 1982-12-08 1984-12-04 General Electric Company Combustor liner
US4838030A (en) * 1987-08-06 1989-06-13 Avco Corporation Combustion chamber liner having failure activated cooling and dectection system
JPH08267433A (ja) * 1994-12-20 1996-10-15 Takei Kogyosho:Kk 型 枠
DE19704771A1 (de) * 1997-02-08 1998-08-13 Kobra Formen & Anlagenbau Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Einlegen einer Bewehrungsmatte in eine Form
US20030137081A1 (en) * 2000-04-17 2003-07-24 Pitkanen Veijo Olavi Method of casting, the form used thereby and element produced therefrom
EP1199520A1 (de) * 2000-10-16 2002-04-24 Siemens Aktiengesellschaft Hitzeschildstein zur Auskleidung einer Brennkammerwand, Brennkammer sowie Gasturbine
US20040110041A1 (en) * 2002-09-06 2004-06-10 Merrill Gary B. Ceramic material having ceramic matrix composite backing and method of manufacturing

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1997, no. 02 28 February 1997 (1997-02-28) *
See also references of EP1817147A1 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009065625A1 (de) * 2007-11-23 2009-05-28 Siemens Aktiengesellschaft Brennerelement und brenner mit aluminiumoxidbeschichtung und verfahren zur beschichtung eines brennerelementes
CN102632545A (zh) * 2012-05-03 2012-08-15 张峥 一种不阻碍珍珠岩浆体膨胀的模具
CN102632545B (zh) * 2012-05-03 2013-11-06 张峥 一种不阻碍珍珠岩浆体膨胀的模具
DE102018205045A1 (de) * 2018-04-04 2019-10-10 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung einer keramischen Hitzeschildplatte

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