WO2006058851A1 - Hitzeschildelement, verfahren zu dessen herstellung, heisgasauskleidung und brennkammer - Google Patents

Hitzeschildelement, verfahren zu dessen herstellung, heisgasauskleidung und brennkammer Download PDF

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WO2006058851A1
WO2006058851A1 PCT/EP2005/056127 EP2005056127W WO2006058851A1 WO 2006058851 A1 WO2006058851 A1 WO 2006058851A1 EP 2005056127 W EP2005056127 W EP 2005056127W WO 2006058851 A1 WO2006058851 A1 WO 2006058851A1
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heat shield
thermal expansion
shield element
hot
coefficient
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Holger Grote
Andreas Heilos
Marc Tertilt
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M5/00—Casings; Linings; Walls
    • F23M5/02—Casings; Linings; Walls characterised by the shape of the bricks or blocks used
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/002—Wall structures

Definitions

  • Heat shield element method for its production, Heisga clothes and combustion chamber
  • the present invention relates to a heat shield element, in particular a ceramic heat shield element, a procedural ⁇ ren for producing a ceramic heat shield element, a built-up from heat shield elements Heisgasausposed well as provided with a Heisgasausposed combustion chamber, which can be designed in particular as a gas turbine combustor.
  • the walls of hot gas-carrying combustors, such as gas turbine plants require thermal shielding of their supporting structure against hot gas attack.
  • the thermal shielding can be realized, for example, by means of a hot gas lining upstream of the actual combustion chamber wall, for example in the form of a ceramic heat shield.
  • a ceramic heat shield usually constructed of a number of metallic or ceramic heat shield elements with which the combustion chamber wall is lined flat. Ceramic materials offer for building a Heisgasaus noted compared to metallic materials due to their high temperature resistance, Korrosionsbestän ⁇ resistance and low thermal conductivity to ideally.
  • a ceramic heat shield is described, for example, in EP 0 558 540 B1 .
  • the object of the present invention is to provide a heat shield element in which the tendency for cracking is reduced.
  • a further 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 ei ⁇ NEN heat shield according to claim 7 or a combustion chamber according to claim 8 and the third object by a method according to claim 9.
  • the other claims contain advantageous Wei ⁇ developments of the invention.
  • a heat shield element according to the invention has a hot side to be turned towards a hot medium, a cold side to be turned away from the hot medium, and circumferential surfaces connecting the hot side to the cold side.
  • the hot side, the cold side and the peripheral surfaces limit the material volume of the heat shield element.
  • the heat shield element according to the invention is characterized in that the material volume comprises at least two material regions which differ from one another in their thermal expansion coefficients. With suitable thermal expansion coefficients, the thermal expansion of the material regions can be influenced in a targeted manner.
  • the heat shield element according to the invention at least adjacent a region of material having a relatively low thermal expansion coefficient at the hot side of the heat shield element on, whereas at least one Mate ⁇ rial Scheme having a relatively high thermal expansion coefficient to the cold side of the heat shield element adjacent.
  • On the hot side occur at the transition from the ambient temperature (for example, when a gas turbine plant) to maximum operating temperature (for example, at full load of a gas turbine plant) greater temperature differences than on the cooled cold side of the heat shield element.
  • the ⁇ se be compensated in the described embodiment in that the thermal expansion coefficient of the Hit ⁇ zeschildettis in the hot side is lower than in the region of the cold side.
  • the material expansion in the region of the cold side can be adapted to the material expansion in the region of the hot side, whereby material stresses in the heat shield element can be reduced.
  • a region of material having a relatively high coefficient of thermal expansion may be at least adjacent to the circumferential surface of the heat shield element and at least one Materi ⁇ seen Alber calibration with a relatively low thermal expansion coefficient of the peripheral surfaces of the interior of the Material volume can be arranged.
  • a material region with a relatively low coefficient of thermal expansion on the hot side and a material region with a relatively high thermal expansion coefficient can adjoin the cold side. Since a cooling of the heat shield elements of a heat shield due to the blocking air flow he follows ⁇ in particular, occur in heat shield elements with homogeneous thermal expansion coefficients in the region of the peripheral surfaces high voltages, which arise due to the opposite to the rest of the heat shield element particularly low operating temperatures. Characterized in that the thermal coefficient of expan ⁇ coefficient in the range of the peripheral surfaces as compared to the inside (from the peripheral surfaces of view) of the heat shield element is increased, the stresses can be reduced.
  • adjacent material areas are designed with different coefficients of thermal expansion such that in the zone of transition from one Mate ⁇ rial Scheme to the other material area a flowing transition from the thermal expansion coefficient of a material range to the coefficient of thermal expansion of the other Material area takes place. Because of the flowing ⁇ sequent transition of the coefficient of thermal expansion, the risk of destruction of the heat shield during the manufacturing process allows, especially during the sintering process, which takes place at elevated approximately homogeneous temperature decrease.
  • the heat shield element according to the invention can in particular be designed as a ceramic heat shield element.
  • An inventive heat shield in particular as a
  • Heat shield for a gas turbine combustor can be configured comprises a number of under heat stress on their peripheral surfaces on adjacent heat shield elements and a barrier fluid supply for supplying a the expansion column against the entry of hot medium blocking
  • the heat shield according to the invention is characterized in that the heat shield elements are designed as erfin ⁇ tion proper heat shield elements.
  • a combustion chamber according to the invention is provided with a heat shield erfindungsge ⁇ MAESSEN lined. It can be designed in particular as a gas turbine combustion chamber.
  • the method according to the invention for producing a ceramic heat shield element pressing or casting of a base material mixture takes place and subsequent sintering of the pressed or cast base material mixture.
  • the method according to the invention is characterized in that before the sintering of the pressed or cast base material mixture, the thermal expansion coefficients of different material regions are adjusted.
  • ⁇ A of the thermal expansion coefficients represent different material regions can be the resistance of egg nes produced by the inventive method
  • the thermal expansion coefficients can be set, 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 can be realized.
  • thermal expansion coefficients by after the pressing or casting of the base material mixture and before sintering a post-treatment of at least one material area, which after sintering compared to the rest of the base material mixture changed, for example.
  • a relatively low thermal Expansion coefficient should have.
  • the aftertreatment can be carried out, for example, by impregnating the at least one material area to be post-treated with a liquid. This approach allows a particularly good definition of material areas, which should have a relation to the rest of the base material mixture modified thermal expansion coefficient.
  • FIG. 1 shows a heat shield element in a perspective view.
  • FIG. 2 a shows a first embodiment of the heat shield element shown in FIG. 1 in a section along the line AA.
  • FIG. 2b shows a modification of the heat shield element shown in FIG. 2a in a section along the line BB from FIG. 1.
  • Figure 3 shows a second embodiment of the heat shield element shown in Figure 1 in a section along the line A-A.
  • FIG. 4 shows a third embodiment of the heat shield element shown in FIG. 1 in a section along the line A-A.
  • Figure 5a shows a first step of a first herstel ⁇ averaging method for an inventive heat shield element.
  • FIG. 5b shows a second step of the manufacturing method from FIG. 5a.
  • FIG. 5 c shows an alternative variant of the method illustrated in FIGS. 5 a and 5 b.
  • FIG. 6a shows a first step of a second herstel ⁇ averaging method for an inventive heat shield element.
  • FIG. 6b shows a second step of ge Attach ⁇ in Figure 6a th process.
  • FIG. 1 shows a ceramic heat shield element 1 in a perspective view.
  • the heat shield element 1 has a hot side 3, which faces to the installation of the Hitzeschildele ⁇ mentes 1 in a heat shield the hot medium.
  • the hot side 3 is opposite the cold side 5 of the Hit ⁇ zeschildiatas 1, which faces after installation in a heat ⁇ shield of the supporting structure of the combustion chamber wall and thus facing away from the hot medium.
  • Hot side 3 and cold side 5 are connected to each other via first circumferential surfaces 7 and second circumferential surfaces 9.
  • the second circumferential area Chen 9 have grooves 11, into which is connected to the support structure of the combustion chamber wall retaining clips (not Darge ⁇ represents) can be engaged to the heat shield element after installation in a ceramic Heisgasausposed to keep in position.
  • the first peripheral surfaces 7, however, have no groove.
  • the hot side 3, the cold side 5, the first peripheral surfaces 7 and the second peripheral surfaces 9 enclose the material volume of the heat shield element, which ensures 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 taken along the line AA of Figure 1.
  • the heat shield member 10 has a first Mate ⁇ rial Scheme 19 and second material portions 21, which differ from the material region 19 by their thermal expansion coefficients.
  • the thermal expansion coefficient of the material regions 21 is greater than the thermal expansion coefficient of the material region 19. In this sense, the material region 19 has a relatively low coefficient of thermal expansion, whereas the mate ⁇ rial Schemee 21 have a relatively high thermal expansion coefficient.
  • the supporting structure of the combustion chamber wall is lined with a number of heat shield elements 10 throughout.
  • the heat shield elements 10 are attached to one another in such a way that expansion gaps remain between adjacent heat shield elements 10. This expansion gaps serve to an expansion of the heat shield elements 10 during operation of the combustion chamber due to the allow high operating temperatures without the heat shield elements 10 touching each other.
  • the expansion gaps are flushed with sealing air, which also serves to cool the heat ⁇ shield elements 10 holding holding elements. For this reason, lower temperatures prevail on the first peripheral surface 17 (bypassed in the blocking air) and the second peripheral surfaces (also not visible in FIG. 2a) during operation of the combustion chamber than in the central region 23 of the heat shield element 10.
  • the centrally located material region 19 of a conventional heat shield element experiences a higher thermal expansion than the material regions 21 located in the region of the peripheral surfaces. In the low temperature regions, which are positively connected with the region of higher temperature, tensile stresses are thus formed.
  • the relatively cool material regions 21 would be in a conventional heat shield element as a result of their relatively ge ⁇ ring thermal expansion of the hot central region 19, which undergoes a greater thermal expansion ge ⁇ train and could experience cracking when exceeding the material strength , The cracks would emanate from the edges of the heat shield and extend in the direction of the hit ⁇ zeschildinnere. Such cracking can reduce the life of a heat shield element.
  • the voltages described with respect to a conventional heat shield element are Ringert comparable, especially in the cool peripheral portions, since the material regions 21 have a higher thermal expansion coefficient than the central Materialbe ⁇ rich 19.
  • the higher temperature of the central Materialberei- Ches 19 is thus compensated by the larger thermal expansion coefficient of the material regions 21 in the region of the peripheral surfaces 17.
  • the thermal expansion coefficients of the material regions 19 and 21 and the extent of these material regions in the material volume of the heat shield element 10 can be numerically optimized such that the stresses in the heat shield element 10 are minimized.
  • the expansion of the material regions 21 can be determined with relatively high coefficients of thermal expansion, by first performing a calculation of the temperature field which occurs in the desired operating state under corresponding boundary conditions in the heat shield element. Subsequently, on the basis of this result, the size of the regions 21 for the selected coefficient of thermal expansion can be adjusted such that a minimization of the stresses in the heat shield element 10 takes place.
  • the thermal expansion coefficients and the expansions of the material regions can be optimized simultaneously. However, it is also possible to specify the extent, for example, of the circumferential material regions 21 and to find suitable thermal expansion coefficients by means of an optimization.
  • the erfindungsge- Permitted heat shield element 10 may also include material regions 20 have with ge ⁇ geninate the central material area 19 increased thermal expansion coefficient and reduced thermal conductivity in the range of the second circumferential faces, ie in the area of the grooved 18 peripheral surfaces (Fig. 2b).
  • a second embodiment of the heat shield element according to the invention is shown in section in FIG. The section runs along the line AA shown in FIG. Accordingly, the hot side 113, the cold side 115 and the groove-free peripheral surfaces 117 of the heat shield element 110 can be seen.
  • the heat shield member 110 has a hot side 119 Materialbe ⁇ rich coefficient having a relatively low thermal Ausdehnungskoef- and relatively low thermal conductivity. On the cold side, it has a material region 121 with respect to the hot-side material region 119 increased thermal expansion coefficient, increased thermal conductivity and increased mechanical strength.
  • This embodiment takes into account the fact that the hot side 113 of a heat shield element is exposed to a higher temperature during operation of a combustion chamber than the generally cooled cold side 115. In the heat shield element 110, therefore, a temperature gradient forms from the hot side 113 to the cold side 115 , The lower temperature of the cold-side material region 121 is then compensated during operation of the combustion chamber by its thermal expansion coefficient, which is higher in comparison with the hot-side material region 119. Tensions due to the temperature gradient can therefore be reliably avoided.
  • FIG. 4 A third embodiment of the heat shield element according to the invention is shown in Figure 4 in section.
  • the section runs along the line AA shown in FIG. Accordingly, the cold side 213, the hot side 215 and the groove-free peripheral surfaces 217 of the heat shield element 210 can be seen.
  • the heat shield element 210 has a ers ⁇ th, hot-side material region 219 having a first thermal expansion coefficient, circumferential second Mate rial Schemee 221 having a second thermal Ausdehnungsko ⁇ efficient and a cold side material region 223 with a third coefficient of thermal expansion.
  • there can the second and the third thermal Ausdehnungskoef ⁇ fizient also be identical.
  • the areas with different coefficients of expansion should, if possible, not be in the form of sharp boundaries of material properties, but rather in the form of smooth transitions of material properties, to avoid the risk of damaging the heat shield during the manufacturing process, especially during sintering, at elevated, far - Hend homogeneous temperature takes place, to avoid.
  • FIG. 5a shows a first step of the production method
  • FIG. 5b shows a second step.
  • the method comprises casting material mixtures into a mold 340 so as to form a green body, and then sintering the greenware to complete the ceramic heat shield element.
  • FIGS. 5a and 5b The casting of the material mixtures is shown in FIGS. 5a and 5b.
  • a material mixture 321 having a first composition is poured into the mold 340 (FIG. 5a).
  • a material mixture 319 having a second composition is poured over the first material mixture 321.
  • the consistency of the material mixtures is such that no complete mixing of the two material mixtures occurs. However, mixing at the interface 320 is desirable.
  • compositions of the material mixtures 319 and 321 are selected such that the material mixture 319 has a lower thermal expansion coefficient after sintering than the material mixture 321.
  • the casting is carried out of the heat shield element with a stationary mold, ie derje- nige part of the mold which forms the cold side and the ⁇ one who part of the mold which forms the Heisseite, are side walls of the mold, whereas the bottom of the casting ⁇ form is a part of the mold, which forms one of the peripheral surfaces of the heat shield element.
  • Fig. 5c is a standing mold in
  • templates 346, 347 may serve to separate different portions 348, 349, 350 of the mold 345 from each other.
  • different material mixtures are poured.
  • three different material mixtures can be used with the mold from FIG. 5c, namely one for the regions 348, one for the region 349 and one for the region 350.
  • the two separate sections 348 can be identical. if different material mixtures to use, so that a total of four material mixtures are used.
  • different material mixtures can also be successively filled in one area.
  • 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.
  • FIG. 6b A second manufacturing method of the present invention heat shield elements will now be described with reference to the figures 6a and 6b.
  • a material mixture 419 is placed in a mold 440, 450 and then pressed.
  • the result is a green body 410 of the heat shield element.
  • This green compact 410 is shown in FIG. 6b. It can be seen the green compact 410, the hot side 413, the cold side 415 and the nut ⁇ free peripheral surfaces 417th In the area of the groove-free peripheral surfaces 417, the green body 410 is impregnated with a liquid which influences the sintering process.
  • the liquid is chosen so that the ge ⁇ soaked areas 421 having, after sintering, a higher thermal expansion coefficient than the non-impregnated region of 419th
  • the grooved circumferential surfaces of the green body 410 may also be soaked to increase the thermal expansion coefficient of the respective regions.
  • the result of the method described with reference to FIGS. 6a and 6b is a heat shield element as shown in FIG.
  • the mold can be filled lie ⁇ ing or standing and the filling of Mate ⁇ rialmischept done using templates.
  • the mold can thereby - as well as the mold when pouring a heat shield element - are placed or filled at any angle.

Abstract

Ein erfindungsgemäßes Hitzeschildelement umfasst - eine einem heißen Medium zuzuwendende Heißseite (13, 11), - eine dem heißen Medium abzuwendende Kaltseite (5, 15), - die Heißseite (3, 13) mit der Kaltseite (5, 15) verbindende Umfangsflächen (7, 17) und - ein von der Heißseite (3, 13), der Kaltseite (5, 15) und den Umfangsflächen (7, 17) begrenztes Materialvolumen. Das erfindungsgemäße Hitzeschildelement zeichnet sich dadurch aus, dass das Materialvolumen mindestens zwei Materialbereiche (19, 21) umfasst, welche sich in ihren thermischen Ausdehnungskoeffizienten voneinander unterschieden.

Description

Beschreibung
Hitzeschildelement, Verfahren zu dessen Herstellung, Heisga- sauskleidung und Brennkammer
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hitzeschildelement, insbesondere ein keramisches Hitzeschildelement, ein Verfah¬ ren zum Herstellen eines keramischen Hitzeschildelementes, eine aus Hitzeschildelementen aufgebaute Heisgasauskleidung sowie eine mit einer Heisgasauskleidung versehene Brennkammer, die insbesondere als Gasturbinenbrennkammer ausgebildet sein kann.
Die Wände von heißgasführenden Brennkammern, beispielsweise von Gasturbinenanlagen erfordern eine thermische Abschirmung ihrer tragenden Struktur gegen Heißgasangriff. Die thermische Abschirmung kann beispielsweise durch eine der eigentlichen Brennkammerwand vorgelagerte Heisgasauskleidung, bspw. in Form eines keramischen Hitzeschildes, realisiert werden. Eine derartige Heisgasauskleidung in der Regel aus einer Anzahl von metallischen oder keramischen Hitzeschildelementen aufgebaut, mit denen die Brennkammerwand flächig ausgekleidet ist. Keramische Materialien bieten sich für den Aufbau einer Heisgasauskleidung im Vergleich zu metallischen Werkstoffen auf- grund ihrer hohen Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbestän¬ digkeit und niedrigen Wärmeleitfähigkeit idealerweise an. Ein keramischer Hitzeschild ist bspw. in EP 0 558 540 Bl be¬ schrieben.
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 kerami- scher Hitzeschilde in Folge temperaturabhängiger Dehnung gewährleistet sein, damit keine den Hitzeschild zerstörenden Wärmespannungen durch Behinderung der temperaturabhängigen Dehnung auftreten. Zwischen den einzelnen Hitzeschildelementen sind daher Dehnspalte vorhanden, um die Wärmeausdehnung der Hitzeschildelemente zu ermöglichen. Aus Sicherheitsgründen sind die Dehnspalte so ausgelegt, dass die auch bei 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 Haltelementen dient, was u.a. zum Auftreten von Temperaturgradienten im Bereich der Kanten eines Hitzeschildelementes führt. Daher kommt es insbesondere bei keramischen Hitze¬ schildelementen auch ohne die Berührung benachbarter Hitzeschildelemente zu Spannungen auf der Heisseite, welche zu Rissbildungen führen und damit die Lebensdauer der Hitzeschildelemente negativ beeinflussen können.
Um den Bedarf an Sperrluft 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 Hit¬ zeschildes .
Alternative Vorgehensweisen bestehen darin, Hitzeschildele- mente aus Metall zu verwenden. Metallische Hitzeschildelemen¬ te weisen zwar gegenüber Temperaturschwankungen und mechanischen Belastungen eine höhere Widerstandsfähigkeit als kera¬ mische Hitzeschildelemente auf, erfordern jedoch bspw. in Gasturbinenberennkammern eine aufwändige Kühlung des Hitze- Schildes, da sie eine höhere Wärmeleitfähigkeit als kerami¬ sche Hitzeschildelemente besitzen. Außerdem sind metallische Hitzeschildelemente korrosionsanfälliger und können aufgrund ihrer geringeren Temperaturstabilität nicht so hohen Tempera¬ turen ausgesetzt werden wie keramische Hitzeschildelemente.
Um Rissbildungen zu minimieren ist man daher in der Regel be- müht die thermische Belastung der Hitzeschildelemente eines Hitzeschildes möglichst gering zu halten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Hitzeschildelement zur Verfügung zu stellen, in dem die Neigung zur Rissbildung reduziert ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen vorteilhaften Hitzeschild und eine mit einem vorteilhaften Hitzeschild ausgestattete Brennkammer zur Verfügung zu stel- len.
Schließlich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen vorteilhafter Hitzeschildelemente zur Verfügung zu stellen.
Die erste Aufgabe der Erfindung wird durch ein Hitzeschild¬ element nach Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch ei¬ nen Hitzeschild nach Anspruch 7 bzw. eine Brennkammer nach Anspruch 8 und die dritte Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 9. Die übrigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Wei¬ terbildungen 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 Umfangsflächen auf. Die Heißseite, die Kaltseite und die Umfangsflächen begrenzen das Materialvolumen des Hitzeschildelementes. Das erfindungsgemäße Hitzeschildelement zeichnet sich dadurch aus, dass das Materialvolumen mindes- tens zwei Materialbereiche umfasst, welche sich in ihren thermischen Ausdehnungskoeffizienten voneinander unterscheiden. Mit geeigneten thermischen Ausdehnungskoeffizienten lässt sich die thermische Ausdehnung der Materialbereiche gezielt beeinflussen. Insbesondere wenn Materialbereiche, die für re- lativ hohe Betriebstemperaturen vorgesehen sind, einen relativ niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen und Materialbereiche, die für relativ niedrige Betriebstempe¬ raturen vorgesehen sind, einen relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, lassen sich die Spannungen innerhalb des Hitzeschildelementes beim Betrieb eines Hitze¬ schildes reduzieren.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes grenzt mindestens ein Materialbereich mit relativ niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizient an die Heißseite des Hitzeschildelementes an, wohingegen mindestens ein Mate¬ rialbereich mit relativ hohem thermischen Ausdehnungskoeffizient an die Kaltseite des Hitzeschildelementes angrenzt. An der Heißseite treten beim Übergang von der Umgebungstempera- tur (beispielsweise beim Stillstand einer Gasturbinenanlage) zu maximaler Betriebstemperatur (beispielsweise bei Volllast einer Gasturbinenanlage) größere Temperaturunterschiede auf als an der gekühlten Kaltseite des Hitzeschildelementes. Die¬ se werden in der beschriebenen Ausgestaltung dadurch ausge- glichen, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Hit¬ zeschildelementes im Bereich der Heißseite geringer ist als im Bereich der Kaltseite. Bei geeigneter Wahl der thermischen Ausdehnungskoeffizienten lässt sich die Materialausdehnung im Bereich der Kaltseite an die Materialausdehnung im Bereich der Heißseite anpassen, wodurch Materialspannungen im Hitzeschildelement verringert werden können.
Außerdem kann wenigstens ein Materialbereich mit relativ hohem thermischen Ausdehnungskoeffizienten an die Umfangsflache des Hitzeschildelementes angrenzen und wenigstens ein Materi¬ albereich mit relativ niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von den Umfangsflachen aus gesehen im Inneren des Materialvolumens angeordnet sein. In dieser Ausgestaltung kann außerdem auch ein Materialbereich mit relativ niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten an die Heißseite und ein Materialbereich mit relativ hohem thermischem Ausdehnungsko- effizienten an die Kaltseite angrenzen. Da insbesondere im Bereich der Umfangsflächen eine Kühlung der Hitzeschildelemente eines Hitzeschildes aufgrund des Sperrluftstromes er¬ folgt, treten in Hitzeschildelementen mit homogenem thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich der Umfangsflächen hohe Spannungen auf, die aufgrund der gegenüber dem Rest des Hitzeschildelementes besonders niedrigen Betriebstemperaturen entstehen. Dadurch, dass der thermische Ausdehnungskoeffi¬ zient im Bereich der Umfangsflächen im Vergleich zum Inneren (von den Umfangsflächen aus gesehen) des Hitzeschildelementes erhöht ist, lassen sich die auftretenden Spannungen reduzieren.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes sind einander benachbarte Materialbereiche mit unter- schiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten derart ausgestaltet, dass in der Zone des Übergangs von dem einen Mate¬ rialbereich zum anderen Materialbereich ein fließender Übergang von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des einen Materialbereiches zu dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des anderen Materialbereiches stattfindet. Aufgrund des flie¬ ßenden Übergangs des thermischen Ausdehnungskoeffizienten lässt sich die Gefahr einer Zerstörung des Hitzeschildes während des Herstellungsverfahrens, insbesondere während des Sinterprozesses, der bei erhöhter, etwa homogener Temperatur stattfindet, verringern.
Das erfindungsgemäße Hitzeschildelement kann insbesondere als keramisches Hitzeschildelement ausgestaltet sein.
Die in Folge der verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verringerte Spannungsbildung beim Auftreten räumlicher Temperaturgradienten innerhalb des keramischen Hitze- Schildelementes führt zu einer verringerten Rissbildungsnei- gung. Dadurch verringert sich in einem keramischen Hitzeschild das Risiko der Ausbildung von langen Rissen, die zu einem Austausch des Hitzeschildelementes führen würden. Zudem führt die verringerte Rissbildungsneigung zu einer höheren Lebensdauer der Hitzeschildelemente und somit zu einer Ver¬ ringerung der Austauschraten von Hitzeschildelementen in Heisgasauskleidungen.
Ein erfindungsgemäßer Hitzeschild, der insbesondere als ein
Hitzeschild für eine Gasturbinenbrennkammer ausgestaltet sein kann, umfasst eine Anzahl von unter Dehnspaltbelastung 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 erfin¬ dungsgemäße Hitzeschildelemente ausgestaltet sind.
Eine erfindungsgemäße Brennkammer ist mit einem erfindungsge¬ mäßen 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 verschiedener Materialbereiche erfolgt. Durch das Ein¬ stellen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten verschiedener Materialbereiche lässt sich die Widerstandsfähigkeit ei- nes mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten
Hitzeschildelementes gegenüber Temperaturgradienten innerhalb des Hitzeschildelementes erhöhen. Das Einstellen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten kann bspw. erfolgen, indem beim Pressen oder Gießen für die entsprechenden Materialbereiche Grundmaterialmischungen mit un- terschiedlichen Zusammensetzungen Verwendung finden. Insbesondere kann die Zusammensetzung der Grundmaterialmischung dabei fließend von der einen Zusammensetzung zur anderen Zusammensetzung umgestellt werden, sodass ein fließender Übergang des thermischen Ausdehnungskoeffizienten realisiert wer- den kann.
Alternativ ist es auch möglich, das Einstellen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten vorzunehmen, indem nach dem Pressen oder Gießen der Grundmaterialmischung und vor dem Sintern ein Nachbehandeln mindestens eines Materialbereiches erfolgt, welcher nach dem Sintern einen gegenüber dem Rest der Grundmaterialmischung veränderten, bspw. einen relativ niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizient aufweisen soll. Das Nachbehandeln kann beispielsweise erfolgen, indem der mindestens eine nachzubehandelnde Materialbereich mit einer Flüssigkeit getränkt wird. Diese Vorgehensweise erlaubt eine besonders gute Festlegung von Materialbereichen, die einen gegenüber dem Rest der Grundmaterialmischung veränderten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen sollen.
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 darge- stellten 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 dar- gestellten Hitzeschildelementes in einem Schnitt entlang der Linie A-A.
Figur 5a zeigt einen ersten Schritt eines ersten Herstel¬ lungsverfahrens für ein erfindungsgemäßes Hitzeschildelement.
Figur 5b zeigt einen zweiten Schritt des Herstellungsverfahrens aus Figur 5a.
Fig. 5c zeigt eine alternative Variante des in den Figuren 5a und 5b dargestellten Verfahrens.
Figur 6a zeigt einen ersten Schritt eines zweiten Herstel¬ lungsverfahrens für ein erfindungsgemäßes Hitzeschildelement.
Figur 6b zeigt einen zweiten Schritt des in Figur 6a gezeig¬ ten Verfahrens.
Figur 1 zeigt ein keramisches Hitzeschildelement 1 in einer perspektivischen Ansicht. Das Hitzeschildelement 1 weist eine Heißseite 3 auf, welche nach dem Einbau des Hitzeschildele¬ mentes 1 in einen Hitzeschild dem heißen Medium zugewandt ist. Der Heißseite 3 gegenüber liegt die Kaltseite 5 des Hit¬ zeschildelementes 1, welche nach dem Einbau in einen Hitze¬ schild der tragenden Struktur der Brennkammerwand zugewandt und somit dem heißen Medium abgewandt ist. Heißseite 3 und Kaltseite 5 sind über erste Umfangsflächen 7 und zweite Um- fangsflachen 9 miteinander verbunden. Die zweiten Umfangsflä- chen 9 weisen Nuten 11 auf, in welche mit der Tragstruktur der Brennkammerwand verbundene Halteklammern (nicht darge¬ stellt) eingreifen können, um das Hitzeschildelement nach dem Einbau in eine keramische Heisgasauskleidung in Position zu halten. Die ersten Umfangsflächen 7 weisen dagegen keine Nut auf.
Die Heißseite 3, die Kaltseite 5, die ersten Umfangsflächen 7 und die zweiten Umfangsflächen 9 umschließen das Materialvo- lumen 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 Hei߬ seite 13, die Kaltseite 15 sowie die nutfreien Umfangsflächen 17 des Hitzeschildelementes 10 der ersten Ausführungsform zu erkennen. Das Hitzeschildelement 10 weist einen ersten Mate¬ rialbereich 19 und zweite Materialbereiche 21, die sich vom Materialbereich 19 durch ihren thermischen Ausdehnungskoeffizienten unterscheiden. Der thermische Ausdehnungskoeffizient der Materialbereiche 21 ist dabei größer als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materialbereiches 19. In diesem Sinne weist der Materialbereich 19 einen relativ geringen thermischen Ausdehnungskoeffizient auf, wohingegen die Mate¬ rialbereiche 21 einen relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Beim Aufbau eines Hitzeschildes, beispielsweise für eine Gas- turbinenbrennkammer, wird die tragende Struktur der Brennkammerwand mit einer Anzahl Hitzeschildelementen 10 flächendeckend ausgekleidet. Die Hitzeschildelemente 10 werden dabei derart an einander angrenzend angebracht, dass Dehnspalte zwischen benachbarten Hitzeschildelementen 10 verbleiben. Diese Dehnspalte dienen dazu, eine Ausdehnung der Hitze¬ schildelemente 10 beim Betrieb der Brennkammer aufgrund der hohen Betriebstemperaturen zu ermöglichen, ohne dass sich die Hitzeschildelemente 10 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 Hitze¬ schildelemente 10 haltenden Halteelemente dient. Aus diesem Grund herrschen an den sperrluftumströmten ersten Umfangsflä- chen 17 und den ebenfalls sperrluftumströmten zweiten Um- fangsflächen (in Fig. 2a nicht zu erkennen) beim Betrieb der Brennkammer niedrigere Temperaturen als im zentralen Bereich 23 des Hitzeschildelementes 10. Beim Betrieb der Brennkammer würde daher der zentral gelegene Materialbereich 19 eines konventionellen Hitzeschildelementes eine höhere thermische bedingte Ausdehnung erfahren als die im Bereich der Umfangs- flachen gelegenen Materialbereiche 21. In den Bereichen niedriger Temperatur, die formschlüssig mit dem Bereich höherer Temperatur verknüpft sind, kommt es daher zur Ausbildung von Zugspannungen. In den Bereichen der höheren Temperatur kommt es entsprechend zur Druckspannungen. Mit anderen Worten, die relativ kühlen Materialbereiche 21 würden in einem konventionellen Hitzeschildelement in Folge ihrer vergleichsweise ge¬ ringen thermischen Dehnung von dem heißen Zentralbereich 19, der eine größere thermische Dehnung erfährt, unter Zug ge¬ setzt und könnten beim Überschreiten der Materialfestigkeit eine Rissbildung erfahren. Die Risse würden von den Kanten des Hitzeschildes ausgehen und sich in Richtung auf das Hit¬ zeschildinnere erstrecken. Eine derartige Rissbildung kann die Lebensdauer eines Hitzeschildelementes verringern.
Im erfindungsgemäßen Hitzeschildelement 10 sind die mit Bezug auf ein konventionelles Hitzeschildelement beschriebenen Spannungen insbesondere in den kühlen Umfangsbereichen ver- ringert, da die Materialbereiche 21 einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizient aufweisen als der zentrale Materialbe¬ reich 19. Die höhere Temperatur des zentralen Materialberei- ches 19 wird also durch den größeren thermischen Ausdehnungsbereichkoeffizienten der Materialbereiche 21 im Bereich der Umfangsflachen 17 ausgeglichen.
Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialbereiche 19 bzw. 21 sowie die Ausdehnung dieser Materialbereiche im Materialvolumen des Hitzeschildelementes 10 können numerisch derart optimiert werden, dass die Spannungen im Hitzeschild¬ element 10 minimiert werden. Beispielsweise kann die Ausdeh- nung der Materialbereiche 21 mit relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten festgelegt werden, indem zunächst eine Berechnung des sich im angestrebten Betriebszustand bei entsprechenden Randbedingungen im Hitzeschildelement einstellenden Temperaturfeldes durchgeführt wird. Anschließend kann anhand dieses Ergebnisses die Größe der Bereiche 21 für den gewählten thermischen Ausdehnungskoeffizienten so eingestellt werden, dass hierdurch eine Minimierung der Spannungen im Hitzeschildelement 10 erfolgt. Selbstverständlich können auch die thermischen Ausdehnungskoeffizienten und die Ausdehnungen der Materialbereiche simultan optimiert werden. Es ist aber auch möglich, die Ausdehnung beispielsweise der umfänglichen Materialbereiche 21 vorzugeben und mittels einer Optimierung geeignete thermische Ausdehnungskoeffizienten zu finden.
In Figur 2a sind im Bereich der nutfreien Umfangsflachen 17 des Hitzeschildelementes Materialbereiche 21 mit gegenüber dem zentralen Materialbereich 19 erhöhtem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und reduzierter thermischer Leitfähigkeit vorhanden. Zusätzlich oder alternativ kann das erfindungsge- mäße Hitzeschildelement 10 auch Materialbereiche 20 mit ge¬ genüber dem zentralen Materialbereich 19 erhöhtem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und reduzierter thermischer Leitfähigkeit im Bereich der zweiten Umfangsflachen aufweisen, also im Bereich der mit Nuten 18 versehenen Umfangsflachen (Fig. 2b) . Eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes ist in Figur 3 im Schnitt dargestellt. Der Schnitt verläuft entlang der in Figur 1 dargestellten Linie A-A. Entsprechend sind die Heißseite 113, die Kaltseite 115 und die nutfreien Umfangsflachen 117 des Hitzeschildelementes 110 zu erkennen.
Das Hitzeschildelement 110 weist heißseitig einen Materialbe¬ reich 119 mit relativ niedrigem thermischen Ausdehnungskoef- fizienten und relativ niedriger thermischer Leitfähigkeit auf. Kaltseitig weist es einen Materialbereich 121 mit gegenüber dem heißseitigen Materialbereich 119 erhöhtem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, erhöhter thermischer Leitfähigkeit und erhöhter mechanischer Belastbarkeit auf. Diese Ausgestaltung trägt dem Umstand Rechnung, dass die Heißseite 113 eines Hitzeschildelementes beim Betrieb einer Brennkammer einer höheren Temperatur ausgesetzt ist als die in der Regel gekühlte Kaltseite 115. Im Hitzeschildelement 110 bildet sich daher ein Temperaturgradient von der Heißseite 113 zur KaIt- seite 115 hin aus. Die niedrigere Temperatur des kaltseitigen Materialbereiches 121 wird dann beim Betrieb der Brennkammer durch dessen im Vergleich zum heißseitigen Materialbereich 119 höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgeglichen. Spannungen aufgrund des Temperaturgradienten können da- her zuverlässig vermieden werden.
Eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes ist in Figur 4 im Schnitt dargestellt. Der Schnitt verläuft entlang der in Figur 1 dargestellten Linie A-A. Entsprechend sind die Kaltseite 213, die Heißseite 215 und die nutfreien Umfangsflachen 217 des Hitzeschildelementes 210 zu erkennen. Das Hitzeschildelement 210 weist einen ers¬ ten, heißseitigen Materialbereich 219 mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten, umfangsseitige zweite Mate- rialbereiche 221 mit einem zweiten thermischen Ausdehnungsko¬ effizienten und einen kaltseitigen Materialbereich 223 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 210 auftreten, zuverlässig minimiert werden.
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 liegen relativ abrupte Ü- bergänge zwischen den verschiedenen Materialbereichen und damit relativ abrupte Übergänge zwischen verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten vor. Die Bereiche mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten sollten jedoch mög- liehst 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 thermi¬ schen Ausdehnungskoeffizienten ausgeführt werden muss, damit weder eine Zerstörung des Hitzeschildelementes während des
Sintervorgangs droht, gleichzeitig aber eine optimale Wirkung zum Vermeiden der Spannungsbildung im Betriebszustand erreicht wird. Hieraus kann beispielsweise eine optimale Guss¬ bzw. Pressform für die Herstellung eines Grünlings, das heißt einer Vorstufe des Hitzeschildelementes aus einem polymerke¬ ramischen 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 ei- nes erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes wird nachfolgen mit Bezug auf die Figuren 5a und 5b beschrieben. Die Figur 5a zeigt einen ersten Schritt des Herstellungsverfahrens, Figur 5b eine zweiten Schritt. Das Verfahren umfasst das Gießen von Materialmischungen in eine Gießform 340, um so einen Grünling zu formen, und ein anschließendes Sintern des Grünlings zum Fertigstellen des keramischen Hitzeschildelementes.
Das Gießen der Materialmischungen ist in den Figuren 5a und 5b dargestellt. Zuerst wird eine Materialmischung 321 mit ei- ner ersten Zusammensetzung in die Gießform 340 gegossen (Fig. 5a) . Danach wird eine Materialmischung 319 mit einer zweiten Zusammensetzung über die erste Materialmischung 321 gegossen. Die Konsistenz der Materialmischungen ist dabei derart, dass keine vollständige Vermischung der beiden Materialmischungen eintritt. Eine Mischung im Bereich der Grenzfläche 320 ist jedoch erwünscht.
Die Zusammensetzungen der Materialmischungen 319 bzw. 321 sind so gewählt, dass die Materialmischung 319 nach dem Sin- tern einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als die Materialmischung 321.
Obwohl beim beschriebenen Herstellungsverfahren eine Vermischung der Materialmischungen 319, 321 im Bereich der Grenz- fläche 320 erwünscht ist, kann jedoch auch ohne eine derarti¬ ge Vermischung ein erfindungsgemäßes Hitzeschildelement her¬ gestellt werden. Nach dem Sintern des gegossenen Hitzeschildelementes 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 Hitzeschildelemen- tes 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. derje- nige Teil der Gießform, welcher die Kaltseite formt und der¬ jenige Teil der Gießform, welcher die Heisseite formt, sind Seitenwände der Gießform, wohingegen die Unterseite der Gie߬ 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 345 können Schablonen 346, 347 dazu dienen, verschiedene Bereiche 348, 349, 350 der Gießform 345 voneinander abzutrennen. In die verschiedenen Bereiche der 348, 349, 350 werden unterschiedliche Materialmischungen gegossen. Mit der Form aus Fig. 5c können bspw. drei verschiedene Materialmischungen zum Einsatz kommen, nämlich eine für die Bereiche 348, eine für den Bereich 349 und eine für den Bereich 350. Es ist aber auch möglich für die beiden voneinander getrennten Abschnitte 348 eben- falls 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 Hitze¬ schildelemente wird nun mit Bezug auf die Figuren 6a und 6b beschrieben. In diesem Verfahren wird eine Materialmischung 419 in eine Pressform 440, 450 gegeben und anschließend ver- presst. Das Ergebnis ist eine Grünling 410 des Hitzeschild- elementes . Dieser Grünling 410 ist in Figur 6b dargestellt. Es sind die Heißseite 413, die Kaltseite 415 sowie die nut¬ freien Umfangsflachen 417 des Grünlings 410 zu erkennen. Im Bereich der nutfreien Umfangsflachen 417 erfolgt ein Tränken des Grünlings 410 mit einer den Sintervorgang beeinflussenden Flüssigkeit. Die Flüssigkeit ist so gewählt, dass die ge¬ tränkten Bereiche 421 nach dem Sintern einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen als der nicht getränkte Bereich 419.
Optional können auch die mit Nuten versehenen Umfangsflachen des Grünlings 410 (in Fig. 6b nicht zu erkennen) getränkt werden, um den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der entsprechenden Bereiche zu erhöhen. Das Ergebnis des mit Bezug auf die Figuren 6a und 6b beschriebenen Verfahrens ist ein Hitzeschildelement, wie es in Figur 2 dargestellt ist.
Auch beim Pressen des Hitzeschildelementes kann die Form lie¬ gend oder stehend gefüllt werden und das Einfüllen von Mate¬ rialmischungen 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 dar¬ gestellt ist, beschrieben, jedoch ist es auch möglich, mit demselben Verfahren Hitzeschildelemente, wie sie in den Figu- ren 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.

Claims

Patentansprüche
1. Hitzeschildelement mit
- einer einem heißen Medium zuzuwendenden Heißseite (3, 13, 11, 213),
- einer dem heißen Medium abzuwendenden Kaltseite (5, 15, 115, 215),
- die Heißseite (3, 13, 113, 213) mit der Kaltseite (5, 15, 115, 215) verbindenden Umfangsflachen (7, 17,117, 217, 9) und - einem von der Heißseite (3, 13, 113, 213 ), der Kaltseite
(5, 15, 115, 215) und den Umfangsflachen (7, 17, 117, 217, 9) begrenzten Materialvolumen, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Materialvolumen mindestens zwei Ma¬ terialbereiche (19, 21, 119, 121, 219, 221, 223) umfasst, welche sich in ihren thermischen Ausdehnungskoeffizienten voneinander unterschieden.
2. Hitzeschildelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für relativ hohe Betriebstemperaturen vorgesehene Materialbereiche (19, 119, 219) einen relativ niedrigen ther¬ mischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, wohingegen für relativ niedrige Betriebstemperaturen vorgesehene Materialbe¬ reiche (21, 121, 221, 223) einen relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
3. Hitzeschildelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Materialbereich ( 119, 219) mit re¬ lativ niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten an die Heißseite (113, 213) angrenzt und mindestens ein Materialbe- reich (121, 223) mit relativ hohem thermischen Ausdehnungskoeffizienten an die Kaltseite (115, 215) angrenzt.
4. Hitzeschildelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Materialbereich (21, 221)mit relativ hohem thermischen Ausdehnungskoeffizienten an die Um- fangsflächen (17, 217) angrenzt und wenigstens ein Material¬ bereich (19, 219)mit relativ niedrigem thermischen Ausdeh- nungskoeffizienten von den Umfangsflächen (17, 217) aus gesehen in Inneren des Materialvolumens angeordnet ist.
5. Hitzeschildelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einander benachbarte Materialbe¬ reiche mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten derart ausgestaltet sind, dass in der Zone des Über¬ gangs von dem einen Materialbereich zum anderen Materialbereich ein fließender Übergang von dem thermischen Ausdeh- nungskoeffizienten des einen Materialbereiches zu dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des anderen Materialbereiches stattfindet.
6. Hitzeschildelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Ausgestaltung als keramisches Hit¬ zeschildelement.
7. Heisgasauskleidung, insbesondere für eine Gasturbinenbrennkammer, mit einer Anzahl von unter Dehnspaltbelassung an ihren Umfangsflächen aneinander angrenzenden Hitzeschildelementen (1) und einer Sperrfluidzufuhr zum Zuführen eines die Dehnspalte gegen den Eintritt von heißem Medium sperrenden Sperrfluidstroms in die Dehnspalte, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , dass die Hitzeschildelemente (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgestaltet sind.
8. Brennkammer, insbesondere Gasturbinenbrennkammer, mit einer Heisgasauskleidung nach Anspruch 7.
9. Verfahren zum Herstellen eines keramischen Hitzeschildelementes, insbesondere eines Hitzeschildelementes nach Anspruch 6, bei dem ein Pressen oder Gießen einer Grundmaterialmischung 319, 321) und ein anschließendes Sintern der gepressten bzw. gegossenen Grundmaterialmischung (319, 321) erfolgt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass vor dem Sintern der gepressten bzw. gegossenen Grundmaterialmischung (319, 321) ein Einstellen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten verschiedener Materialbereiche erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Einstellen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten erfolgt, indem beim Pressen oder Gießen für die entsprechenden Materialbereiche Grundmaterialmischungen (319, 321) mit unterschiedlichen Zusammensetzungen Verwendung finden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass beim Pressen oder Gießen benachbarter Materialbereiche die Zusammensetzung der Grundmaterialmischung (319, 321) fließend von der einen zur anderen Zusammensetzung umgestellt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Einstellen der thermischen Ausdehnungsko¬ effizienten erfolgt indem nach dem Pressen oder Gießen der Grundmaterialmischung (419) und vor dem Sintern ein Nachbehandeln mindestens eines Materialbereiches (421), welcher nach dem Sintern einen gegenüber dem Rest der Grundmaterialmischung (419) veränderten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen soll, erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachbehandeln erfolgt indem der mindestens eine nachzube¬ handelnde Materialbereich (421) mit einer Flüssigkeit ge¬ tränkt wird.
PCT/EP2005/056127 2004-12-01 2005-11-22 Hitzeschildelement, verfahren zu dessen herstellung, heisgasauskleidung und brennkammer WO2006058851A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/792,130 US20080104963A1 (en) 2004-12-01 2005-11-22 Heat Shield Element, Method for Its Production, Hot Gas Lining, and Combustion Chamber
EP05811090.9A EP1817528B1 (de) 2004-12-01 2005-11-22 Verfahren zur herstellung eines hitzeschildelementes

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP04028445.7 2004-12-01
EP04028445A EP1666797A1 (de) 2004-12-01 2004-12-01 Hitzeschildelement, Verfahren zu dessen Herstellung, Heisgasauskleidung und Brennkammer

Publications (1)

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Country Status (3)

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US (1) US20080104963A1 (de)
EP (2) EP1666797A1 (de)
WO (1) WO2006058851A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014187659A1 (de) * 2013-05-21 2014-11-27 Siemens Aktiengesellschaft Hitzeschildkachel für einen hitzeschild einer brennkammer
US11333290B2 (en) 2012-02-03 2022-05-17 Sgl Carbon Se Heat shield with outer fiber winding and high-temperature furnace and gas converter having a heat shield

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2428647B1 (de) * 2010-09-08 2018-07-11 Ansaldo Energia IP UK Limited Übergangsbereich für eine Brennkammer einer Gasturbine
US9423129B2 (en) 2013-03-15 2016-08-23 Rolls-Royce Corporation Shell and tiled liner arrangement for a combustor
US10655853B2 (en) 2016-11-10 2020-05-19 United Technologies Corporation Combustor liner panel with non-linear circumferential edge for a gas turbine engine combustor
US10935236B2 (en) 2016-11-10 2021-03-02 Raytheon Technologies Corporation Non-planar combustor liner panel for a gas turbine engine combustor
US10935235B2 (en) 2016-11-10 2021-03-02 Raytheon Technologies Corporation Non-planar combustor liner panel for a gas turbine engine combustor
US10830433B2 (en) 2016-11-10 2020-11-10 Raytheon Technologies Corporation Axial non-linear interface for combustor liner panels in a gas turbine combustor

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
WO1992009850A1 (de) * 1990-11-29 1992-06-11 Siemens Aktiengesellschaft Keramischer hitzeschild an einer tragstruktur
EP1302723A1 (de) * 2001-10-15 2003-04-16 Siemens Aktiengesellschaft Auskleidung für Innenwände von Brennkammern

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
FR2664585B1 (fr) * 1990-07-13 1993-08-06 Europ Propulsion Structures refractaires refroidies et procede pour leur fabrication.
US6733907B2 (en) * 1998-03-27 2004-05-11 Siemens Westinghouse Power Corporation Hybrid ceramic material composed of insulating and structural ceramic layers
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
EP1199520A1 (de) * 2000-10-16 2002-04-24 Siemens Aktiengesellschaft Hitzeschildstein zur Auskleidung einer Brennkammerwand, Brennkammer sowie Gasturbine
US7291407B2 (en) * 2002-09-06 2007-11-06 Siemens Power Generation, Inc. Ceramic material having ceramic matrix composite backing and method of manufacturing
US20060141237A1 (en) * 2004-12-23 2006-06-29 Katherine Leighton Metal-ceramic materials

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
WO1992009850A1 (de) * 1990-11-29 1992-06-11 Siemens Aktiengesellschaft Keramischer hitzeschild an einer tragstruktur
EP1302723A1 (de) * 2001-10-15 2003-04-16 Siemens Aktiengesellschaft Auskleidung für Innenwände von Brennkammern

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11333290B2 (en) 2012-02-03 2022-05-17 Sgl Carbon Se Heat shield with outer fiber winding and high-temperature furnace and gas converter having a heat shield
WO2014187659A1 (de) * 2013-05-21 2014-11-27 Siemens Aktiengesellschaft Hitzeschildkachel für einen hitzeschild einer brennkammer

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