Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft eine keramische Auskleidung für thermisch hochbeanspruchte
Wände von Brennräumen gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1. Solche Auskleidungen
finden insbesondere Anwendung als innere Wandisolierung von metallischen Brennkammern,
beispielsweise für Gasturbinen.
Stand der Technik
[0002] Brennkammerwände können mit vieleckigen Flächenelementen aus keramischem Material
oder aus Metall ausgelegt sein. Die Anzahl der Ecken dieser Elemente beträgt in der
Regel 3 bis 4. Es sind aber auch sechseckige Flächenelemente bekannt. Diese Flächenelemente
haben die Struktur einer Platte und werden mit einem separaten Bolzen an der metallischen
Tragstruktur befestigt.
[0003] Aus DE 195 02 730 A1 ist beispielsweise eine keramische Auskleidung einer Brennkammer
bekannt, welche aus mindestens einer Wandplatte aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik,
auch monolithische Keramik genannt, mit mindestens einer durchgehenden Öffnung und
aus einem Befestigungselement pro Öffnung besteht. Das Befestigungselement ist mit
seinem Fuss in einer an der metallischen Tragwand angebrachten metallischen Haltevorrichtung
befestigt, wobei der Kopf des Befestigungselementes in der Öffnung der Wandplatte
ruht. Das Befestigungselement besteht ebenfalls aus hochtemperturbeständiger Strukturkeramik
und ist federelastisch an die Haltevorrichtung angebunden. Zwischen der metallischen
Wand und der keramischen Wandplatte ist eine Isolationsschicht aus Faserkeramik vorgesehen.
[0004] Die Vorteile dieser Lösung bestehen darin, dass die Auskleidung zerstörungsfrei demontierbar
ist und daher mehrfach verwendet werden kann. Ferner können durch eine federelastische
Anbindung der keramischen Struktur an die metallische Haltekonstruktion die thermischen
Dehnungen zwischen metallischen und keramischen Komponenten bzw. Verformungen der
Isolationsschicht durch mechanische Beanspruchungen aufgenommen werden.
[0005] Diesen Vorteilen steht nachteilig gegenüber, dass die Befestigung der Auskleidung
an der metallischen Tragstruktur aufgrund des separaten Bolzens und der Haltevorrichtung
recht aufwendig ist, und dass die Auskleidung wegen der Notwendigkeit mehrerer Lagen
kompliziert ist.
[0006] Wegen der Plattenstruktur muss bei einer keramischen Ausführung der Brennkammer auch
die Isolationsschicht auf der dem Heissgas abgewandten Seite aus Platten ausgeführt
werden. Durch die in der Regel poröse Struktur des Isolationswerkstoffes werden die
Isolationsplatten sehr empfindlich gegen Schwingungen, was zum Bruch der Teile führen
kann. Zusätzlich müssen Halterungen für die Isolation vorgesehen werden.
[0007] Ausserdem sind die heissgasführenden Brennkammerziegel in Plattenform sehr empfindlich
gegenüber Schwingungen und gegen Beschädigungen durch Fremdteile, da die Platten sehr
dünn und fragil sind.
Darstellung der Erfindung
[0008] Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe
zugrunde, eine keramische Auskleidung für Brennräume zu entwickeln, welche unempfindlich
gegen Schwingungen und grosse Temparaturgradienten ist, welche sich leicht fertigen
lässt, und bei welcher keine zusätzliche Halterungen für die Isolationen benötigt
werden.
[0009] Erfindungsgemäss wird dies bei einer keramische Auskleidung gemäss Oberbegriff des
Patentanspruches 1 dadurch erreicht, dass die keramischen Elemente im wesentlichen
die Form einer geraden regelmässigen Pyramide aufweisen, deren Grundfläche n Ecken
besitzt und dem Brennraum zugewandt ist, und in deren Spitze der Haltebolzen integriert
ist.
[0010] Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass infolge der volumenmässigen Ausführung
der keramischen Elemente eine funktionsmässig günstige Form erreicht wird. Grosse
heisse Flächen der keramischen Elemente gehen kontinuierlich in den Haltebolzen über,
so dass eine stetige Wärmeableitung aus der heissen Fläche in den (gekühlten) Bolzen
erfolgt. Damit werden schroffe Querschnittsübergänge, die sich ungünstig auf die Spannungen
im Bauteil auswirken würden, vermieden. Durch den integrierten Haltebolzen sind die
keramischen Elemente unempfindlich gegen Schwingungen und Temperaturgradienten, so
dass sie nicht brechen. Ausserdem sind die so geformten Elemente leicht zu fertigen.
Durch ihre allseitige Ausformbarkeit beim Pressen der Rohlinge kann ein guter Verdichtungsgrad
erreicht werden.
[0011] Es ist zweckmässig, wenn die Hohlräume, die von den keramischen Elemente mit ihren
dem Brennraum abgewandten Flächen gebildet werden, mit Isolationskörpern, die einen
Formschluss mit den keramischen Elementen einerseits und der metallische Tragstruktur
andereseits bilden, ausgefüllt sind. Dadurch wird die metallische Tragstruktur besonders
gut von den hohen Temperaturen des Brennraumes abgeschirmt. Durch den Formschluss
sind auch vorteilhaft keine zusätzlichen Halterungen für die Isolationskörper notwendig.
[0012] In einer Ausgestaltungsvariante ist es ferner von Vorteil, wenn die Hohlräume, die
von den keramischen Elemente mit ihren dem Brennraum, d. h. der Heissgasseite, abgewandten
Flächen gebildet werden, mit Luft gefüllt sind. Dies ist eine sehr preiswerte Variante,
weil hier billige Luft als Isolationsmaterial dient.
[0013] Weiterhin ist es zweckmässig, wenn die keramischen Elemente eine dreieckige Grundfläche,
vorzugsweise eine Tetraederform, aufweisen. Diese Form ist fertigungstechnisch am
günstigsten herstellbar und durch die gedrungene Form der keramischen Elemente wird
ein guter Verdichtungsgrad erreicht.
[0014] Schliesslich sind mit Vorteil die keramischen Elemente mit den Isolationskörpern
mittels elastischer Elemente, vorzugsweise Tellerfedern, Zylinderdruckfedern oder
gewellter Bleche, gegen die metallische Tragstruktur gepresst, oder die Isolationskörper
sind mittels elastischer Elemente gegen die keramischen Elemente gepresst. Dadurch
werden zusätzliche Halterungen für die Isolation überflüssig, sowie Kühlluftleckagen
vermindert und eine Schwingungsdämpfung erreicht. Letzteres wird auch mit einem elastisch
gelagerten Haltebolzen erzielt. Durch die federelastische Anbindung der keramischen
Struktur bzw. des Isolationsmaterials werden die thermischen Dehnungen zwischen den
verschiedenen Komponenten sowie die Verformungen des Isolationsmaterials durch mechanische
Beanspruchungen aufgenommen.
[0015] Es ist weiterhin möglich, die Flächen der keramischen Elemente und der Isolationskörper
konvex oder konkav auszubilden. Das hat den Vorteil, dass auf diese Weise Krümmungen
in der Brennkammerwand nachgebildet werden können und damit eine optimale Auskleidung
möglich ist.
[0016] Schliesslich ist es zweckmässig, wenn die Grundfläche der keramischen Elemente, die
die Heissgasseite bildet, mit Wärmedämmschichten oder abriebbeständigen Schichten
versehen ist. Dies bietet sich dann an, wenn für die Elemente anstelle von monolytischer
Keramik weniger beständiges, aber dafür preiswerteres Grundmaterial verwendet wird.
Auch in diesem Falle wird dann eine stabile, gegen Schwingungen und hohe Temperaturen
unempfindliche Auskleidung des Brennraumes ermöglicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
[0017] In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer thermisch
hochbelasteten Gasturbinenbrennkammer dargestellt.
[0018] Es zeigen:
- Fig. 1
- eine perspektivische Ansicht mehrerer nebeneinander angeordneter keramischer Elemente
in einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung;
- Fig. 2
- einen Längsschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1, wobei zusätzlich die metallische
Tragstruktur abgebildet ist;
- Fig. 3
- eine perspektivische Ansicht mehrere nebeneinander angeordneter keramischer Elemente
mit Isolationskörpern in den Hohlräumen zwischen den keramischen Elementen;
- Fig. 4
- einen Teillängsschnitt mit verschiedenen elastischen Elementen zur Anpressung der
Isolation an die keramischen Elemente;
- Fig. 5
- eine Draufsicht auf die Grundfläche eines keramischen Elementes in einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
- Fig. 6
- eine Draufsicht auf die Grundfläche eines keramischen Elementes in einer dritten Ausführungsform
der Erfindung.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.
Weg zur Ausführung der Erfindung
[0019] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Figuren 1
bis 6 näher erläutert.
[0020] Fig. 1 zeigt in perspektivischer Ansicht mehrere nebeneinander angeordnete keramische
Elemente 1 einer keramischen Auskleidung einer nicht dargestellten Gasturbinenbrennkammer.
Die keramischen Elemente 1 haben in diesem Ausführungsbeispiel im wesentlichen die
Form eines Tetraeders. Sie weisen somit eine Grundfläche 2 mit einer Anzahl n Ecken
auf wobei in diesem Falle n = 3. Die drei Seitenlängen der Grundfläche 2 sind gleich
gross. An der Spitze jeden Elementes 1, hier also an der Spitze des Tetraeders, ist
ein Haltebolzen 3 angeordnet, der in den Tetraeder integriert ist. Jedes keramische
Element 1 besteht somit aus dem Tetraeder einschliesslich dem Haltebolzen 3. Die Tetraederform
ist fertigungstechnisch sehr günstig. Durch ihre allseitige Ausformbarkeit beim Pressen
der Rohlinge wird ein guter Verdichtungsgrad erreicht. Durch die Tetraederform wird
aber auch funktionsmässig eine günstige Form erreicht. Die grossen heissen Flächen
des Tetraeders gehen kontinuierlich in den Haltebolzen 3 über. Das ist spannungsmässig
sehr günstig, so dass der Brennkammerziegel unempfindlich gegen Schwingungen und Temperaturgradienten
ist und dadurch seine Bruchwahrscheinlichkeit gering ist.
[0021] Fig. 2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1. Aus Fig. 2 ist ersichtlich,
dass die keramischen Elemente 1 jeweils mit ihrem Haltebolzen 3 an der metallischen
Tragwand 4 der Brennkammer befestigt sind. Die Zwischenräume zwischen der Tragwand
4 und den keramischen Elementen 1 sind mit Isolationsmaterial 5 ausgefüllt. Im einfachsten
Falle kann als Isolationsmaterial 5 Luft verwendet werden. Eine bessere isolierende
Wirkung haben dagegen Isolationskörper 5 aus beispielsweise Al
2O
3, ZrO
2, Schäume oder Legierungen beider Oxide, sowie Retikulärkeramik aus beiden Oxiden
oder Legierungen, sowie Isoliersteine aus Oxidkeramik insbesondere der genannten Oxide.
[0022] Fig. 3 zeigt in einer perspektivischen Darstellung die Anordnung von Isolationskörpern
5 in den Hohlräumen zwischen den keramischen Elementen 1. Zwischen den Isolationsteilen
5 und den keramischen Elemente 1 gibt es einen Formschluss. Dadurch werden separate
Halterungen für die Isolation überflüssig.
[0023] In Fig. 4 sind Varianten dargestellt, wie die Isolation 5 elastisch angebunden sein
kann. Es wird gezeigt, dass zwischen der metallischen Tragstruktur 4 und der Isolation
5 elastische Elemente 6 angeordnet sind, welche die Isolation 5 gegen die keramischen
Elemente 1 drücken und somit Kühlluftleckagen verhindern sowie eine Schwingungsdämpfung
verursachen. Die elastischen Elemente 6 können dabei z. B. Zylinderdruckfedern (linker
Teil von Fig. 4), Tellerfedern (Mitte von Fig. 4) oder gewellte Bleche (rechter Teil
von Fig. 4) sein. Fig. 4 zeigt auch zwei mögliche Befestigungsvarianten für den Brennkammerziegel
(keramisches Element 1) an der Tragwand 4. Im linken Teil von Fig. 4 ist dargestellt,
dass der Haltebolzen 3 mit einem Gewinde 9 versehen ist, auf das eine Mutter 10 aufgeschraubt
ist, während im rechten Teil von Fig. 4 die Befestigung des Haltebolzens 3 und damit
des keramischen Elementes 1 an der Tragwand 4 mittels einer Gewindebüchse 11 und eines
zweiteiligen Gewindeeinsatzes 12 dargestellt ist.
[0024] In anderen Ausführungsbeispielen können auch die keramischen Elemente 1 über elastische
Elemente 6 mit der Isolation 5 gegen die Tragstruktur 4 gedrückt werden. Dann werden
die gleichen Vorteile erzielt. Bei geeignetem Isolationsmaterial kann die Isolation
5 auch selbst als Federlement 6 dienen.
[0025] Neben den bisher beschriebenen tetraederförmigen Elementen 1 können als keramische
Auskleidungen beispielsweise auch pyramidenförmige Elemente verwendet werden, welche
eine Grundfläche 2 mit 4 Ecken (Fig. 5) oder 6 Ecken (Fig. 6) aufweisen. In Fig. 6
ist angedeutet, dass die der Heissgasseite zugewandte Grundfläche 2 auch mit speziellen
Wärmedämmschichten oder abriebbeständigen Schichten 13 versehen sein kann. Dies ist
dann zu empfehlen, wenn qualitativ minderwertigeres Grundmaterial verwendet wird,
so dass dieses dann einer höheren thermischen und mechanischen mechanischen Beanspruchung
standhalten kann. Als Schichten 13 sind beispielsweise Schichten aus retikularen Strukturen
geeignet, aber auch kurzfaserverstärkte Schichten, Spritzschichten, chemisch abgeschiedene
Schichten oder in elektrischen Feldern (Elektrophorese) abgeschiedene Schichten sowie
Sol-Gel oder aus der Gas- oder Flüssigphase abgeschiedene Schichten.
[0026] Als Material für die keramischen Elemente 1 ist vor allem monolytische Keramik, gesintert
oder reaktionsgebunden, geeignet. Faserverstärkte Keramik ist aber ebenfalls geeignet.
[0027] Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die eben beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt. So kann beispielsweise auch der Haltebolzen 3 elastisch gelagert sein,
oder es können keramische Elemente 1 als Auskleidung der Brennkammer verwendet werden,
die einen anderen pyramidenförmigen Körper als oben beschrieben aufweisen. Die keramischen
Elemente 1 können z. B. konvex oder konkav gekrümmte Tetraederflächen aufweisen, was
vorteilhaft ist, weil damit Krümmungen der Brennkammerwände gut ausgeglichen werden
können.
Bezugszeichenliste
[0028]
- 1
- keramisches Element
- 2
- Grundfläche von Pos. 1
- 3
- Haltebolzen
- 4
- Tragwand
- 5
- Isolation
- 6
- elastisches Element, z. B. Tellerfeder, Zylinderdruckfeder
- 7
- Schicht auf Pos. 2
- 8
- Brennraum
- 9
- Gewinde auf Pos. 3
- 10
- Mutter
- 11
- Gewindebüchse
- 12
- Gewindeeinsatz
- 13
- Wärmedämm-, abriebbeständige Schichten
1. Keramische Auskleidung für Brennräume (8), welche aus einer Mehrzahl von nebeneinander
angeordneten Elementen (1) besteht, die an der Innenseite einer thermisch hochbeanspruchten
metallischen Tragwand (4) jeweils mittels eines Haltebolzens (3) befestigt sind, wobei
zwischen der metallischen Tragwand (4) und den keramischen Elementen (1) mindestens
ein Isolationskörper (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen
Elemente (1) im wesentlichen die Form einer geraden regelmässigen Pyramide aufweisen,
deren Grundfläche (2) n Ecken besitzt und dem Brennraum (8) zugewandt ist, und in
deren Spitze der Haltebolzen (3) integriert ist.
2. Keramische Auskleidung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen
Elemente (1) mit ihren dem Brennraum (8) abgewandten Flächen Hohlräume bilden, welche
mit Isolationskörpern (5), die einen Formschluss mit den keramischen Elementen (1)
einerseits und der metallische Tragwand (4) andererseits bilden, ausgefüllt sind.
3. Keramische Auskleidung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen
Elemente (1) mit ihren dem Brennraum (8) abgewandten Flächen Hohlräume bilden, welche
mit Luft gefüllt sind.
4. Keramische Auskleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die keramischen Elemente (1) eine dreieckige Grundfläche (2) aufweisen.
5. Keramische Auskleidung nach Anspruche 4, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen
Elemente (1) im wesentlichen die Form eines Tetraeders aufweisen.
6. Keramische Auskleidung nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
dass die Isolationskörper (5) mittels elastischer Elemente (6), vorzugsweise Tellerfedern,
Zylinderdruckfedern oder elastischer Bleche, gegen die keramischen Elemente (1) gepresst
sind.
7. Keramische Auskleidung nach einem der Ansprüche 1, 2, 4, oder 5, dadurch gekennzeichnet,
dass die keramischen Elemente (1) mit den Isolationskörpern (5) mittels elastischer
Elemente (6), vorzugsweise Tellerfedern, Zylinderdruckfedern oder elastischer Bleche,
gegen die metallische Tragwand (4) gepresst sind.
8. Keramische Auskleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
der Haltebolzen (3) des keramischen Elementes (1) elastisch gelagert ist.
9. Keramische Auskleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
die Flächen der keramischen Elemente (1) und der Isolationskörper (5) konvex oder
konkav ausgebildet sind.
10. Keramische Auskleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
die Grundfläche (2) der keramischen Elemente (1) mit Wärmedämmschichten oder abriebbeständigen
Schichten (13) versehen ist.