WO2020200568A1 - Hitzeschildkachel mit dämpfungsfunktion - Google Patents

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WO2020200568A1
WO2020200568A1 PCT/EP2020/054051 EP2020054051W WO2020200568A1 WO 2020200568 A1 WO2020200568 A1 WO 2020200568A1 EP 2020054051 W EP2020054051 W EP 2020054051W WO 2020200568 A1 WO2020200568 A1 WO 2020200568A1
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WO
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heat shield
base body
shield tile
tile
cross
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/054051
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian EIGENBROD
Daniel MALANGRÉ
Hans- Christoph RIES
Holger Grote
Stefan Werner Kiliani
Andre Kluge
Claus Krusch
Friederike Lange
Christian Nikasch
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2020200568A1 publication Critical patent/WO2020200568A1/de

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    • 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
    • F23R3/007—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel constructed mainly of ceramic components
    • 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
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators

Definitions

  • the invention relates to a heat shield tile for use in a combustion chamber, a porous ceramic material being used to dampen vibrations.
  • combustion oscillations can occur, which spread as pressure fluctuations in the form of sound waves in the combustion chamber and can load the entire combustion chamber structure. There is basically the risk that there will be resonance excitations which, if the damping is insufficient, can lead to damage to the combustion chamber structure. There is therefore a need to dampen such thermoacoustic instabilities in gas turbines.
  • So-called Helmholz resonators are usually used to dampen critical vibrations in the combustion chambers of gas turbines.
  • An arrangement of resonators on a combustion chamber of a gas turbine is known from EP 1319153 B1.
  • a plurality of circumferentially distributed cavities are arranged on the circumference of the combustion chamber, which on the one hand wall of the combustion chamber and on the other hand are enclosed by a pot-like housing.
  • the cavity here forms a resonator volume, where openings are necessarily present in the combustion chamber wall in order to fulfill its function.
  • This has the disadvantageous effect that, without special measures, the cavity and, in so far, its housing, is exposed to high temperature loads.
  • the housing therefore also has a number of openings through which cooling air can be introduced into the cavity in a targeted manner.
  • heat shield tiles made of ceramic materials are preferably used in some combustion chambers.
  • Exemplary embodiments are known for this example from EP 1701095 B1. These show the further advantage that they have a high thermal resistance, so that, in contrast to purely metallic combustion chambers, less cooling air is required. In particular, their holder is to be cooled. For this purpose, further statements from EP 1884713 Bl,
  • EP 2270395 B1, EP 2596290 B1 and EP 2992270 are known. It is also known that the generally porous ceramic of the heat shield tile can be protected from premature erosion by a cover layer.
  • the ceramic heat shield tiles have better damping properties than metallic structures, they cannot always achieve sufficient damping to avoid the use of Helmholtz resonators.
  • the object of the present invention is therefore to find suitable measures for damping vibrations in the combustion chamber to make available which get by with a lower cooling air requirement.
  • the generic heat shield tile is usually used in a combustion chamber of a gas turbine. However, the design can also be used with other types of combustion chambers.
  • a heat shield tile As a heat shield tile, this has a hot side facing the interior of the combustion chamber and an opposing cold side.
  • the heat shield tile comprises a base body which is arranged on the cold side. At the same time, the base body forms the surface of the heat shield tile on the cold side.
  • the base body consists of a ceramic material with a porous structure and offers gas permeability. This is the case if the base body has a flow resistance of at most 3000 kPas / m2 with a flow from the cold side to the hot side.
  • a support layer is arranged on the hot side, which is also made of a ceramic material, but is essentially impermeable to gases in comparison with the base body.
  • the support layer is provided with a plurality of recesses extending from the hot side to the base body. Accordingly, a flow from the cold side through the base body and through the recesses to the hot side is made possible.
  • the base layer here ensures the stability of the heat shield tile and further improves the resistance to wear in contrast to a solution in which the base body acts as a sound-absorbing element on the
  • Hot side is arranged.
  • the formation of a plurality of recesses in the ceramic heat shield tile results in significantly improved damping compared to conventional heat shield tiles.
  • the heat shield tile according to the invention still has the advantageous property of conventional heat shield tiles made of a ceramic material with their high thermal resistance, so that the cooling air requirement can be reduced due to the omission or at least the reduction of Helmholtz resonators otherwise used.
  • the base body has a flow resistance of at most 500 kPas / m2. This improves both the cooling of the heat shield tile and the sound-absorbing properties.
  • the base body has a flow resistance of at least 10 kPas / m2. At a value below this minimum value, the base body is only conditionally suitable for soundproofing and, in particular, there is a risk of insufficient stability. A flow resistance of at least 50 kPas / m2 is particularly preferred.
  • the flow resistance can be set in a targeted manner via the foam density so that good absorption can be achieved in certain frequency ranges.
  • the greater the porosity of the base body the more important the base layer as a mechanically load-bearing element is. This leads to a substantial impermeability of the material of the base course.
  • the recesses meet a large surface of the Grundkör pers.
  • the recesses on the hot side are kept as small as possible. Accordingly, it is advantageous if the cross section of the recesses on the base body is larger than the cross section of the recesses on the hot side.
  • the cross-section of the recesses on the base body is at least twice as large as the cross-section of the recesses on the hot side.
  • This can advantageously be increased further in that, in a preferred embodiment, the recesses are designed in such a way that the cross section on the base body corresponds to at least 5 times the cross section on the hot side.
  • the cross-section of the recesses on the hot side has a cross-sectional area of at least 1 mm2 and / or at most 20 mm2.
  • a size of the recess on the hot side is particularly advantageous if the cross-sectional area is between 4 mm 2 and 10 mm 2.
  • the free surface of the base body at the respective recess has a cross-sectional area of at least 20 mm 2.
  • a cross-sectional area of the recess on the base body of at least 50 mm 2 is particularly advantageous.
  • the cross-sectional area should be a maximum of 500 mm 2, it being particularly advantageous to provide the cross-sectional area of the recess on the base body with less than 200 mm 2 in each case.
  • the existing surface viewed parallel to the hot side or cold side, is used as possible.
  • the recesses in a section along the base body together occupy a cross-sectional area of at least half of the total area of the support layer or of the base body.
  • the sum of the individual cross-sectional areas of the respective recesses is at least 2/3 of the total area of the base body in the separating surface from the base layer.
  • the respective recesses can be designed in different ways.
  • the respective recess is formed by a bore arranged on the hot side and by a prismatic chamber on the side facing the base body.
  • the chambers can have different shapes and in particular represent a cylinder in the simplest form.
  • an advantageous utilization of the available area, taking into account the stability required, is achieved if the cavity body has a honeycomb shape.
  • the respective recess in the manner of a funnel, the funnel opening towards the base body.
  • the funnel can also advantageously have a honeycomb shape at least at the end of the recess facing the base body.
  • a recess is a contiguous cross-sectional area on the
  • the layer thicknesses of the supporting layer and the base body are chosen to be advantageous with respect to one another.
  • the thickness of the base layer measured perpendicular to the
  • the hot side corresponds to at least 0.15 times the material thickness of the heat shield tile at the same point formed by the supporting layer and the base body.
  • a particularly advantageous Stabili ity is achieved when the base layer is at least
  • the base body has at least one 0.5-fold material thickness measured perpendicular to the cold side in relation to the material thickness of the heat shield tile.
  • a material thickness of the base body with at least 0.6 times the material thickness of the heat shield tile formed by the base body and base layer is particularly advantageous here.
  • the heat shield tile is surrounded by circumferential side walls. It is also advantageous here if the side walls on the cold side extend beyond the base body. That is, on the cold side there is a free space between the base body and an area defined by the side walls.
  • the side walls are made of a ceramic material that is also essentially impermeable to gases.
  • a fastening geometry is present on at least two opposite side walls, on which the corresponding fastening means can be attached.
  • the fastening means can be, for example, fe-reducing stone holders or rigid, angular stone holders for attaching fastening screws.
  • the base body requires a material different from the base layer, and the starting material or the chemical elements can be chosen to be the same. Rather, what matters is the properties of porosity in the base body and a layer that is as compact as possible in the base layer. It is possible to make the side walls and the base layer from the same material with the same properties.
  • the material for the base body it is particularly advantageous if a structure that is open-pored on all sides.
  • the flow resistance can be defined by the type of open porosity.
  • the base body preferably has a porosity in a range from 60% to 90% and a porosity of 70% to 80% is particularly advantageous.
  • the pore distribution can be homogeneous over the entire ceramic base body.
  • the pores are designed as Ku gel pores and / or matrix pores.
  • the spherical pores have preferably a diameter which is greater than
  • the matrix pores preferably have a pore size below 0.03 mm, with values below 0.01 mm being particularly preferred.
  • the flow resistance can be defined by the pore geometry and the pore size.
  • its mate rial has pore windows with the spherical pores.
  • the diameter of the pore window is preferably in a range between 0.04 mm and 0.06 mm. Particularly preferred are dimensions of the pore window with a diameter of 0.05 mm.
  • the base body has a density in a range from 0.55 g / cm3 to 0.70 g / cm3.
  • the density can be adjusted via the open-pored foam structure.
  • the material of the base body and in particular its porosity are preferably set in such a way that a sound-absorbing effect is achieved in a frequency range of 20 Hz to 20 kHz.
  • This frequency range includes the frequencies of combustion vibrations, for example in a gas turbine and can therefore be used to dampen such combustion vibrations, preferably in gas turbines.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a first exemplary one
  • FIG. 2 shows a view of the hot side and, in sections, a section parallel to the hot side
  • FIG. 1 an exemplary embodiment for egg ne heat shield tile 01 is shown schematically, the heat shield tile 01 being sketched in a longitudinal section in this view.
  • the hot side 02 is located on the upper side, which 02 is located on the side facing the combustion chamber interior.
  • Opposite is the cold side 03, on which 03 is usually a support structure for receiving the heat shield tile 01.
  • the base body 05 is located on the cold side 03. This 05 has a porous gas-permeable property.
  • the base layer 07 is located opposite on the hot side 02. In contrast to the base body 05, its 07 material is essentially impermeable to gases.
  • the support layer 07 has a plurality of recesses 12 distributed over the area.
  • these 12 initially have chambers in the form of a honeycomb prism, the opening 11 of the recess 12 on the hot side being formed by a cylindrical bore.
  • the recesses 12 establish a connection from the hot side 02 to the porous base body 05.
  • each recess from the opening 11 arranged on the hot side 02 to the base body 05 is designed to be open.
  • the chambers represent cavities and also act as resonance bodies.
  • the resistance of the heat shield tile 01 and at the same time the advantageous damping properties are achieved when the material thickness 17 of the support layer 07 has a suitable ratio to the material thickness 15 of the base body 05.
  • the material thickness 17 of the base layer is almost 30% and the material thickness 15 of the base body is approximately 70% of the total material thickness of the heat shield tile 01 with base layer 07 and base body 05.
  • first side wall 09 which 09 each has a fastening groove 10 for attaching fasteners, for example prevented Steinhal tern.
  • FIG. 2 a view of the hot side of the heat shield tile 01 is sketched for the exemplary embodiment from FIG. 1. First of all, the outside of the support layer 07 with the openings 11 distributed over the surface can be seen. A section parallel to FIG.
  • the distribution of the chambers of the recesses 12 can be seen there, the chambers each having a honeycomb shape.
  • the support layer 07 is surrounded on two opposite sides of the heat shield tile 01 by a second side wall 19 in each case.
  • the base body 05 can be seen adjacent to the first side wall 09 and adjacent to the second side wall 19.
  • FIG. 3 a second example of a fiction, contemporary heat shield tile 21 is also in a longitudinal section outlined analogously to FIG. 1.
  • the base body 25 arranged on the cold side 03 with the supporting layer 27 arranged adjacent to the hot side 02 can again be seen.
  • the supporting layer 07 and the base body 25 are bordered circumferentially by a side edge 09 analogously to the embodiment from FIG.
  • the support layer 27 has a plurality of recesses 32, which 32 penetrate the support layer 27 from the hot side 02 to the base body 25.
  • the respective recess 32 has a funnel-shaped design, the cross-sectional area of the recess 32 on the hot side 02 with the opening 31 again being significantly smaller than the cross-sectional area of the recess 32 on the base body 25.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hitzeschildkachel (01) zur Verwendung bei einer Brennkammer einer Gasturbine. Diese (01) weist hierbei eine auf einer Heißseite (02) angeordnete Abdeckschicht (07) und eine auf einer der Heißseite (02) gegenüberliegenden Kaltseite (03) angeordneten porösen gasdurchlässigen Grundkörper (05) auf. Die Hitzeschildkachel (01) besteht hierbei aus einem keramischen Material. Zur Schwingungsdämpfung bei minimalem Kühlluftverbrauch wird zwischen dem Grundkörper (05) und dem Abdeckelement (07) ein Hohlraumkörper (06) mit einer Mehrzahl zum Grundkörper (05) offener Kammern angeordnet.

Description

Beschreibung
Hitzeschildkachel mit Dämpfungsfunktion
Die Erfindung betrifft eine Hitzeschildkachel zur Verwendung in einer Brennkammer, wobei zur Dämpfung von Schwingungen ein poröses keramisches Material eingesetzt wird.
Bei den Verbrennungsvorgängen in Gasturbinen kann es je nach Betriebszustand zu Verbrennungsschwingungen kommen, welche sich als Druckschwankungen in der Form von Schallwellen in der Brennkammer ausbreiten und die gesamte Brennkammerstruk tur belasten können. Dabei besteht grundsätzlich die Gefahr, dass es zu Resonanzanregungen kommt, welche bei unzureichen der Dämpfung zu Schäden an der Brennkammerstruktur führen können. Daher ergibt sich die Notwendigkeit, solche thermo- akustischen Instabilitäten in Gasturbinen zu dämpfen.
Üblicherweise werden zur Dämpfung kritischer Schwingungen in Brennkammern von Gasturbinen daher sogenannte Helmholz- Resonatoren eingesetzt.
So ist aus der EP 1319153 Bl eine Anordnung von Resonatoren an einer Brennkammer einer Gasturbine bekannt. Hierzu sind am Umfang der Brennkammer eine Mehrzahl im Umfang verteilte Hohlräume angeordnet, welche einerseits von der Brennkammer wand und anderseits von einem topfartigen Gehäuse umschlossen werden. Der Hohlraum bildet hierbei ein Resonatorvolumen, wo bei zur Erfüllung dessen Funktion notwendigerweise Öffnungen in der Brennkammerwand vorhanden sind. Dies hat den nachtei ligen Effekt, dass ohne besondere Maßnahmen ebenso der Hohl raum und insofern dessen Gehäuse einer hohen Temperaturbelas tung ausgesetzt ist. Daher weist das Gehäuse ebenso eine An zahl an Öffnungen auf, durch die gezielt Kühlluft in den Hohlraum eingebracht werden kann.
Weitere hierzu vergleichbare Ausführungsform sind aus der US 7080514 B2 , EP 1319153 Bl, EP 1557607B1, EP1605209 Bl, EP 1989486, EP 2188571 Bl, EP 2513560 Bl, EP 2580433,
US 9546558 B2, EP 2739905, EP 3189274, EP 3194850, EP 3189275 und der WO 2018021996 Al bekannt.
Hierbei ist jedoch von Nachteil, dass die bisher bekannten metallischen Helmholtz-Resonatoren aufwendig mit Kühlluft versorgt werden müssen, um eine hinreichende Kühlung des Me talls zu gewährleisten. Zur Steigerung des Wirkungsgrads ist es jedoch erforderlich, dass die Menge an Kühlluft reduziert wird .
Weiterhin ist es aus dem Stand der Technik bekannt, dass dem gegenüber keramische Werkstoffe eine bessere Dämpfungseigen schaft aufweisen. Daher werden in einigen Brennkammern vor zugsweise Hitzeschildkacheln aus keramischen Werkstoffen ein gesetzt. Beispielhafte Ausführungsform sind hierzu beispiels weise aus der EP 1701095 Bl bekannt. Diese zeigen den weite ren Vorteil auf, dass diese eine hohe thermische Beständig keit besitzen, so dass im Gegensatz zu rein metallischen Brennkammern ein geringerer Kühlluftbedarf erforderlich ist. Zu kühlen ist hierbei insbesondere deren Halterung. Hierfür sind weitere Ausführungen aus der EP 1884713 Bl,
EP 2270395 Bl, EP 2596290 Bl und EP 2992270 bekannt. Weiter hin ist es bekannt, dass die in aller Regel poröse Keramik der Hitzeschildkachel durch eine Abdeckschicht vor einer vor zeitigen Erosion geschützt werden kann. Ausführungen hierzu zeigen beispielsweise die WO 2017186547 Al und die
WO 2018011126 Al.
Wenngleich die keramischen Hitzeschildkacheln bessere Dämp fungseigenschaften als metallische Strukturen aufweisen, so können dennoch diese nicht in jedem Fall nicht die hinrei chende Dämpfung erzielen, um auf den Einsatz von Helmholtz- Resonatoren verzichten zu können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, geeignete Maßnahmen zur Dämpfung von Schwingungen in der Brennkammer zur Verfügung zu stellen, welche mit einem geringeren Kühl- luftbedarf auskommen.
Die gestellte Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Aus führungsform einer Hitzeschildkachel nach der Lehre des An spruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegen stand der Unteransprüche.
Die gattungsgemäße Hitzeschildkachel wird in der Regel bei einer Brennkammer einer Gasturbine eingesetzt. Die Ausführung kann jedoch ebenso bei andersartigen Brennkammern Verwendung finden. Als Hitzeschildkachel weist diese eine zum Inneren der Brennkammer weisende Heißseite sowie eine gegenüberlie gende Kaltseite auf. Dabei umfasst die Hitzeschildkachel ei nen Grundkörper, welcher auf der Kaltseite angeordnet ist. Dabei bildet der Grundkörper zugleich auf der Kaltseite die Oberfläche der Hitzeschildkachel. Der Grundkörper besteht hierbei aus einem keramischen Material mit einer porösen Struktur und bietet dabei eine Gasdurchlässigkeit. Diese ist gegeben, wenn der Grundkörper bei einer Durchströmung von der Kaltseite zur Heißseite eine Strömungsresistanz von höchsten 3000 kPas/m2 aufweist.
Demgegenüber wird auf der Heißseite eine Tragschicht angeord net, welche ebenso aus einem keramischen Material besteht, jedoch im Vergleich mit dem Grundkörper im Wesentlichen für Gase undurchlässig ist.
Erfindungsgemäß wird nunmehr zugleich eine hohe Temperaturbe ständigkeit bei geringem Kühlluftverbrauch und eine verbes serte Dämpfung erzielt, indem die Tragschicht mit einer Mehr zahl sich von der Heißseite bis zum Grundkörper erstreckender Ausnehmungen versehen wird. Entsprechend wird eine Strömung von der Kaltseite durch den Grundkörper und durch die Ausneh mungen bis zur Heißseite ermöglicht.
Zugleich ermöglichen die Ausnehmungen die Dämpfung von
Schwingungen im Brennraum durch die offene Verbindung zum Grundkörper, der eine schwingungsdämpfende Eigenschaft auf weist. Die Tragschicht hierbei sichert die Stabilität der Hitzeschildkachel und verbessert weiterhin die Beständigkeit gegenüber einem Verschleiß im Gegensatz zu einer Lösung, bei der der Grundköper als schalldämpfendes Element an der
Heißseite angeordnet ist.
Durch die Bildung einer Mehrzahl von Ausnehmungen in der ke ramischen Hitzeschildkachel wird eine deutlich verbesserte Dämpfung gegenüber üblichen Hitzeschildkacheln erzielt. Dabei weist die erfindungsgemäße Hitzeschildkachel jedoch unvermin dert die vorteilhafte Eigenschaft üblicher Hitzeschildkacheln aus einem keramischen Material mit deren hohen thermischen Beständigkeit auf, so dass der Kühlluftbedarf aufgrund des Wegfalls oder zumindest der Reduzierung von ansonsten einge setzten Helmholtz-Resonatoren reduziert werden kann.
In vorteilhafter Ausführung weist der Grundkörper eine Strö mungsresistanz von höchstens 500 kPas/m2 auf. Hierdurch wird sowohl die Kühlung der Hitzeschildkachel verbessert als auch die schalldämpfenden Eigenschaften. Besonders bevorzugt wird eine Ausführung, bei der die Strömungsresistanz höchstens 120 kPas/m2 beträgt.
Weiterhin weist Grundkörper in vorteilhafter Ausführung eine Strömungsresistanz von zumindest 10 kPas/m2 auf. Bei einem Wert unterhalb dieses Mindestwertes eignet sich der Grundkör per nur noch bedingt zur Schalldämmung und insbesondere be steht die Gefahr einer zu geringen Stabilität. Besonders be vorzugt wird eine Strömungsresistanz von zumindest 50 kPas/m2 gewählt .
Die Bestimmung der spezifischen Strömungsresistanz ermöglicht die Ermittlung des Schallabsorptionsgrads. Die Strömungsre sistanz kann über die Schaumdichte gezielt eingestellt wer den, sodass eine gute Absorption in bestimmten Frequenzberei chen erzielbar ist. Im Gegenzug wird die Tragschicht als mechanisch tragendes Element umso wichtiger, je größer die Porosität des Grundkör pers ist. Dies führt zu einer weitgehenden Undurchlässigkeit des Materials der Tragschicht.
Zur Realisierung einer optimalen Dämpfung ist es vorteilhaft, wenn die Ausnehmungen auf eine große Oberfläche des Grundkör pers treffen. Zugleich ist es jedoch aus Gründen der Stabili tät und der Verschleißbeständigkeit vorteilhaft, wenn der Ausnehmungen an der Heißseite möglichst klein gehalten sind. Entsprechend ist es vorteilhaft, wenn der Querschnitt der Ausnehmungen am Grundkörper größer ist als der Querschnitt der Ausnehmungen an der Heißseite.
Entsprechend ist es besonders vorteilhaft, wenn der Quer schnitt der Ausnehmungen am Grundkörper zumindest doppelt so groß ist wie der Querschnitt der Ausnehmungen an der Heißsei te. Dieses lässt sich vorteilhaft weiter steigern, in dem in bevorzugter Ausführung die Ausnehmungen derart gestaltet wer den, so dass der Querschnitt am Grundkörper zumindest dem 5-fachen des Querschnitts an der Heißseite entspricht.
Hinsichtlich der Stabilität und Verschleißfestigkeit der Tragschicht und somit der Hitzeschildkachel unter Berücksich tigung der geforderten Dämpfungseigenschaften unter Einbrin gung der Ausnehmungen ist es vorteilhaft, wenn die Ausnehmun gen im Querschnitt an der Heißseite eine Querschnittsfläche von zumindest 1 mm2 und/oder höchstens 20 mm2 aufweisen. Be sonders vorteilhaft ist eine Größe der Ausnehmung an der Heißseite, wenn die Querschnittsfläche zwischen 4 mm2 und 10 mm2 beträgt.
Zur optimalen Dämpfung hat es sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn die freie Oberfläche des Grundkörpers an der jeweiligen Ausnehmung eine Querschnittsfläche von zumindest 20 mm2 aufweist. Besonders vorteilhaft ist eine Querschnitts fläche der Ausnehmung am Grundkörper von zumindest 50 mm2. Demgegenüber sollte die Querschnittsfläche maximal 500 mm2 betragen, wobei es besonders vorteilhaft ist, die Quer schnittsfläche der Ausnehmung am Grundkörper mit jeweils we niger als 200 mm2 vorzusehen.
Zur vorteilhaften Nutzung des vorteilhaften Dämpfungseffektes mit der Anordnung der Ausnehmungen in der Tragschicht ist es vorteilhaft, wenn die vorhandene Fläche betrachtet parallel zur Heißseite bzw. Kaltseite möglich ausgenutzt wird. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die notwendige Stabilität ge währleistet wird. Daher ist es von Vorteil, wenn die Ausneh mungen in einem Schnitt entlang des Grundkörpers gemeinsam eine Querschnittsfläche von zumindest der Hälfte der Gesamt fläche der Tragschicht bzw. des Grundkörpers einnehmen. Be sonders vorteilhaft ist es, wenn die Summe der einzelnen Querschnittsflächen der jeweiligen Ausnehmungen insgesamt zu mindest 2/3 der Gesamtfläche des Grundkörpers in der Trenn fläche zur Tragschicht beträgt.
Die jeweiligen Ausnehmungen können verschiedenartig gestaltet werden. In einer ersten vorteilhaften Ausführung wird die je weilige Ausnehmung von einer auf der Heißseite angeordneten Bohrung und auf der zum Grundkörper weisenden Seite von einer prismatischen Kammer gebildet. Dabei können die Kammern un terschiedliche Formen aufweisen und insbesondere in einfachs te Form einen Zylinder darstellen. Eine vorteilhafte Ausnut zung der vorhandenen Fläche unter Berücksichtigung der not wendigen Stabilität wird jedoch erzielt, wenn der Hohlraum körper eine Wabenform aufweist.
In einer alternativen Ausführung ist es möglich, die jeweili ge Ausnehmung in Art eines Trichters auszuführen, wobei sich der Trichter zum Grundkörper öffnet. Wenngleich eine Rotati onsform einfacher zur realisieren ist, kann ebenso in vor teilhafter Weise der Trichter zumindest am zum Grundkörper weisenden Ende der Ausnehmung eine Wabenform aufweisen. Grundsätzlich ist es besonders vorteilhaft, wenn eine Ausneh mung eine zusammenhängende Querschnittsfläche auf der
Heißseite und eine zusammenhängende Querschnittsfläche am Grundkörper aufweist. Hiervon abweichend wäre es jedoch auch denkbar, eine Ausnehmung mit beispielsweise zwei getrennten Öffnungen an der Heißseite vorzusehen. Gleichfalls ist es denkbar nur eine Öffnung, d.h. nur eine zusammenhängende Querschnittsfläche an der Heißseite vorzusehen, demgegenüber jedoch die Ausnehmung am Grundkörper beispielsweise durch Rippen und Stege zu unterteilen. Hierdurch könnte ein besse res Verhältnis von Querschnittsfläche auf der Heißseite zur Querschnittsfläche am Grundkörper erzielt werden, wobei sich die Herstellung demgegenüber jedoch schwieriger gestaltet.
Zur Gestaltung der Hitzeschildkachel zur Verwendung in einer Brennkammer, insbesondere unter Berücksichtigung der Größe üblicher Hitzeschildkachel ist es von Vorteil, wenn die Schichtstärken von Tragschicht und Grundkörper vorteilhaft zueinander gewählt werden. Um eine vorteilhafte Stabilität der Hitzeschildkachel zu gewährleisten ist es vorteilhaft, wenn die Stärke der Tragschicht gemessen senkrecht zur
Heißseite zumindest der 0,15-fachen Materialstärke der Hitze schildkachel an gleicher Stelle gebildet von Tragschicht und Grundkörper entspricht. Eine besonders vorteilhafte Stabili tät wird erzielt, wenn die Tragschicht zumindest der
0,25-fachen Materialstärke der Hitzeschildkachel entspricht.
Demgegenüber ist es zur Realisierung einer vorteilhaften Dämpfung vorteilhaft, wenn der Grundkörper zumindest eine in Relation zur Materialstärke der Hitzeschildkachel gemessen senkrecht zur Kaltseite 0,5-fache Materialstärke aufweist. Besonders vorteilhaft ist hier eine Materialstärke des Grund körpers mit zumindest der 0, 6-fachen Materialstärke der Hit zeschildkachel gebildet von Grundkörper und Tragschicht.
Zur Erhöhung der Stabilität der Hitzeschildkachel, insbeson dere unter Berücksichtigung des porösen Grundkörpers und des mit einer Mehrzahl an mit Ausnehmungen versehener Trag- Schicht, ist es von besonderem Vorteil, wenn die Hitzeschild kachel von umlaufenden Seitenwänden umgeben ist. Hierbei ist es weiterhin von Vorteil, wenn sich die Seitenwände auf der Kaltseite bis über den Grundkörper hinaus erstrecken. D.h. auf der Kaltseite gibt es einen Freiraum zwischen dem Grund körper und einer durch die Seitenwände definierten Fläche.
Unter Berücksichtigung der Dämpfung zur Erzielung einer vor teilhaften Stabilität ist es vorteilhaft, wenn die Seitenwän de aus einem ebenso im Wesentlichen für Gase undurchlässigen keramischen Material hergestellt sind.
Zur vorteilhaften Befestigung der Hitzeschildkachel in der Wandung der Brennkammer ist es weiterhin von besonderem Vor teil, wenn an zumindest zwei gegenüberliegenden Seitenwänden eine Befestigungsgeometrie vorhanden ist, an der entsprechen de Befestigungsmittel angebracht werden können. Bei den Be festigungsmitteln kann es sich hierbei beispielsweise um fe dernde Steinhalter oder um starre, winkelförmige Steinhalter zur Anbringung von Befestigungsschrauben handeln. Alternativ ist es ebenso möglich, die Hitzeschildkachel an gegenüberlie genden Seitenwänden mit einer Nut-Feder-Geometrie auszufüh ren, so dass Hitzeschildkachel ineinander verzahnt bzw. in nerhalb einer Tragstruktur verspannt werden können. Dieser Ausführung bietet sich insbesondere bei kleinbauenden Brenn kammern an.
Hinsichtlich der Auswahl der Materialien kommen verschiedene Kombinationen in Betracht. Zumindest bedarf es beim Grundkör per eines von der Tragschicht verschiedenen Materials, wobei der Ausgangsstoff bzw. die chemischen Elemente gleich gewählt sein können. Vielmehr kommt es auf die Eigenschaften einer Porosität beim Grundkörper und einer möglichst kompakten Schicht bei der Tragschicht an. Dabei ist es möglich, die Seitenwände und die Tragschicht aus dem gleichen Material mit den gleichen Eigenschaften auszuführen. Hinsichtlich des Materials für den Grundkörper ist es von be sonderem Vorteil, wenn ein zu allen Seiten offenporige Struk tur aufweist. Durch die Art der offenen Porosität ist die Strömungsresistanz definierbar. Vorzugsweise hat der Grund körper eine Porosität in einem Bereich von 60% bis 90% und besonders vorteilhaft ist eine Porosität von 70% bis 80%. Die Porenverteilung kann über den gesamten keramischen Grundkör per homogen sein.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Poren als Ku gelporen und/oder Matrixporen ausgebildet. Die Kugelporen ha ben vorzugsweise einen Durchmesser, welcher größer als
0,06 mm, besonders bevorzugt größer als 0,1 mm ist. Demgegen über ist es hinreichend, wenn der Durchmesser der Kugelporen kleiner als 0,6 mm ist. Hierbei wird ein Durchmesser unter halb von 0,3 mm bevorzugt. Die Matrixporen haben vorzugsweise eine Porengröße unterhalb von 0,03 mm, wobei Werte kleiner als 0,01 mm besonders zu bevorzugen sind. Durch die Porengeo metrie und die Porengröße ist die Strömungsresistanz defi nierbar .
In besonderer Ausgestaltung des Grundkörpers hat dessen Mate rial mit den Kugelporen Porenfenster. Der Durchmesser der Porenfenster liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,04 mm und 0,06 mm. Besonders bevorzugt werden hierbei Ab messungen der Porenfenster mit einem Durchmesser mit 0,05 mm. Durch die Einhaltung der bevorzugten Größe für die Porenfens ter ist die Strömungsresistanz noch genauer definierbar.
In der vorteilhaften Ausführung weist der Grundkörper eine Dichte in einem Bereich von 0,55 g/cm3 bis 0,70 g/cm3 auf. Dabei kann die Dichte über die offenporige Schaumstruktur eingestellt werden.
Vorzugsweise werden das Material des Grundkörpers und insbe sondere dessen Porosität derartig eingestellt, dass eine schallabsorbierende Wirkung in einem Frequenzbereich von 20 Hz bis 20 kHz erzielt wird. Dieser Frequenzbereich umfasst die Frequenzen von Verbrennungsschwingungen, beispielsweise in einer Gasturbine und kann daher zur Dämpfung solcher Ver brennungsschwingungen, vorzugsweise in Gasturbinen eingesetzt werden .
In den nachfolgenden Figuren wird eine beispielhafte Ausfüh rungsform für eine erfindungsgemäße Hitzeschildkachel skiz ziert. Es zeigen:
Fig. 1 Ein Längsschnitt durch eine erste beispielhafte
Hitzeschildkachel ;
Fig. 2 eine Ansicht auf die Heißseite sowie abschnittweise ein Schnitt parallel zur Heißseite;
Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine zweite beispielhafte
Hitzeschildkachel .
In der Fig. 1 wird eine beispielhafte Ausführungsform für ei ne Hitzeschildkachel 01 schematisch dargestellt, wobei in dieser Ansicht die Hitzeschildkachel 01 in einem Längsschnitt skizziert wird. Auf der Oberseite befindet sich die Heißseite 02, welche 02 sich auf der zu Brennkammerinneren weisenden Seite befindet. Gegenüberliegend befindet sich die Kaltseite 03, an der 03 sich in aller Regel eine Tragstruktur zur Auf nahme der Hitzeschildkachel 01 befindet. Auf der Kaltseite 03 angeordnet befindet sich der Grundkörper 05. Diese 05 weist eine poröse gasdurchlässige Eigenschaft auf. Gegenüberliegend an der Heißseite 02 befindet sich die Tragschicht 07. Dessen 07 Material ist im Gegensatz zum Grundkörper 05 im Wesentli chen für Gase undurchlässig.
Die Tragschicht 07 eine Mehrzahl in der Fläche verteilt ange ordnete Ausnehmungen 12 auf. Diese 12 weisen in diesem Aus führungsbeispiel jeweils in Form zunächst Kammern in Form ei nes wabenförmigen Prismas auf, wobei die Öffnung 11 der Aus nehmung 12 an der Heißseite von einer zylindrischen Bohrung gebildet wird. Die Ausnehmungen 12 stellen eine Verbindung von der Heißseite 02 zum porösen Grundkörper 05 her. Hierzu ist jede Ausnehmung von der auf der Heißseite 02 angeordneten Öffnung 11 bis zum Grundkörper 05 offen ausgeführt. Die Kam mern stellen Hohlräume dar und wirken zudem als Resonanzkör per .
Die Beständigkeit der Hitzeschildkachel 01 sowie zugleich die vorteilhaften Dämpfungseigenschaften werden erzielt, wenn die Materialstärke 17 der Tragschicht 07 ein geeignetes Verhält nis zur Materialstärke 15 des Grundkörpers 05 aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Material stärke 17 der Tragschicht knapp 30% und die Materialstärke 15 des Grundkörpers ungefähr 70% der gesamten Materialstärke der Hitzeschildkachel 01 mit Tragschicht 07 und Grundkörper 05 beträgt .
An den beiden gegenüberliegenden Seiten befindet sich in die sem Ausführungsbeispiel jeweils eine erste Seitenwand 09, welche 09 jeweils eine Befestigungsnut 10 zur Anbringung von Befestigungsmitteln, beispielsweise verhinderten Steinhal tern, aufweist.
In der nachfolgenden Fig. 2 wird zum Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 eine Ansicht auf die Heißseite der Hitzeschildkachel 01 skizziert. Zu erkennen ist zunächst einmal die Außenseite der Tragschicht 07 mit den in der Fläche verteilten Öffnungen 11. Weiterhin dargestellt ist ein Schnitt parallel zur
Heißseite durch die Tragschicht 07. Zu erkennen ist dort die Verteilung der Kammern der Ausnehmungen 12, wobei die Kammern jeweils eine Wabenform aufweisen. Umgeben wird die Trag schicht 07 an zwei gegenüberliegenden Seiten der Hitzeschild kachel 01 von jeweils einer zweiten Seitenwand 19. In einem weiteren parallelen Schnitt ist der Grundkörper 05 angrenzend an die erste Seitenwand 09 und angrenzend an die zweite Sei tenwand 19 zu erkennen.
In der Fig. 3 wird ein zweites Beispiel für eine erfindungs gemäße Hitzeschildkachel 21 gleichfalls in einem Längsschnitt analog Fig. 1 skizziert. Zu erkennen ist wiederum der auf der Kaltseite 03 angeordnete Grundkörper 25 mit dem angren zend auf der Heißseite 02 angeordneten Tragschicht 27. Be grenzt wird die Tragschicht 07 und der Grundkörper 25 analog der Ausführung aus Fig. 1 umlaufend von einem Seitenrand 09.
Analog der Ausführung aus Fig. 1 weist in diesem Beispiel die Tragschicht 27 eine Mehrzahl an Ausnehmungen 32 auf, welche 32 die Tragschicht 27 von der Heißseite 02 bis zum Grundkör- per 25 durchdringen. Im Gegensatz zur vorherigen Ausführung wird hier die jeweilige Ausnehmung 32 trichterförmig ausge führt, wobei die Querschnittsfläche der Ausnehmung 32 an der Heißseite 02 mit der Öffnung 31 wiederum deutlich geringer ist als die Querschnittsfläche der Ausnehmung 32 am Grundkör- per 25.

Claims

Patentansprüche
1. Hitzeschildkachel (01,31) zur Verwendung bei einer Brenn kammer, insbesondere einer Gasturbine, bestehend aus ei nem keramischen Material, aufweisend eine dem Brennkamme rinneren zugewandten Heißseite (02) und eine gegenüber liegende Kaltseite (03), mit einem Grundkörper (05,35), welcher (05,35) eine Oberfläche der Hitzeschildkachel (01) auf der Kaltseite (03) bildet und eine Strömungsre sistanz von höchstens 3000 kPas/m2 aufweist, und mit ei ner Tragschicht (07,37), welche (07,37) eine Oberfläche der Hitzeschildkachel (01,31) auf der Heißseite (02) bil det,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Tragschicht (07,37) eine Mehrzahl sich von der Heißseite (02) bis zum Grundkörper (05,35) erstreckender Ausnehmungen (11,31) aufweist.
2. Hitzeschildkachel (01,31) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass Grundkörper (05,35) eine Strömungsresistanz von höchstens 500 kPas/m2, insbesondere von höchstens
120 kPas/m2 aufweist; und/oder
dass Grundkörper (05,35) eine Strömungsresistanz von zu mindest 10 kPas/m2, insbesondere von zumindest 50 kPas/m2 aufweist .
3. Hitzeschildkachel (01,31) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Querschnitt der Ausnehmung (11,31) am Grundkör per (05,35) größer ist als der Querschnitt auf der
Heißseite ( 02 ) .
4. Hitzeschildkachel (01,31) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Querschnittsfläche der Ausnehmung (11,31) am Grundkörper (05,35) zumindest dem 2-fachen, insbesondere zumindest dem 5-fachen, der Querschnittsfläche auf der Heißseite (02) beträgt.
5. Hitzeschildkachel (01,31) nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Querschnittsfläche der Ausnehmung (11,31) auf der Heißseite (02) minimal 1 mm2, insbesondere minimal 4 mm2, und/oder maximal 20 mm2, insbesondere maximal 10 mm2, beträgt.
6. Hitzeschildkachel (01,31) nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Querschnittsfläche der Ausnehmung (11,31) am Grundkörper (05,35) zumindest 20 mm2, insbesondere zumin dest 50 mm2, und/oder maximal 500 mm2, insbesondere von maximal 200 mm2, beträgt.
7. Hitzeschildkachel (01,31) nach einem der Ansprüche 4 bis
6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Summe der Querschnittsflächen der Ausnehmungen (11,31) am Grundkörper (05,35) zumindest 50%, insbesonde re zumindest 66%, der Gesamtfläche beträgt.
8. Hitzeschildkachel (01) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausnehmung (11) auf der Heißseite (02) von einer Bohrung (12) und auf der zum Grundkörper (05) weisenden Seite von einer prismatischen Kammer (13) gebildet wird, wobei insbesondere die Kammer (13) eine Wabenform auf weist.
9. Hitzeschildkachel (31) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausnehmung (31) in Form eines zum Grundkörper (35) weisend öffnenden Trichters ausgeführt ist.
10. Hitzeschildkachel (01,31) nach einem der Ansprüche 1 bis
9, dadurch gekennzeichnet,
dass die Tragschicht (07,37) zumindest 15%, insbesondere zumindest 25%, und der Grundkörper (05,35) zumindest 50%, insbesondere zumindest 60%, der Materialstärke von Trag schicht (07,37) und Grundkörper (05,35) aufweisen.
11. Hitzeschildkachel (01,31) nach einem der Ansprüche 1 bis
10,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Grundkörper (05,35) und die Tragschicht (07,37) von umlaufenden Seitenwänden (09,19) umgeben sind.
12. Hitzeschildkachel (01,31) nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Seitenwände (09,19) auf der Kaltseite (03) erha ben gegenüber dem Grundkörper (05,35) hervorstehen.
13. Hitzeschildkachel (01,31) nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Seitenwände (09,19) und die Tragschicht (07,37) die gleichen Materialeigenschaften aufweisen.
14. Hitzeschildkachel (01,31) nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwei gegenüberliegende erste Seitenwände (09) eine Befestigungsgeometrie aufweisen, an welcher Befestigungs mittel, insbesondere geschraubte oder federnde Steinhal ter, angebracht werden können; und/oder
dass zwei gegenüberliegende erste Seitenwände und/oder zweite Seitenwände eine Nut-Feder-Geometrie oder derglei chen aufweisen, wobei die Seitenwände (07) benachbarter Hitzeschildkacheln ineinandergreifen .
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