Hitzeschildstein zur Auskleidung einer Brennkammerwand, Brennkammer sowie Gasturbine

Abstract

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

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Hitzeschildstein, insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammerwand, mit einer einem heißen Medium aussetzbaren Heißseite und einer der Heißseite gegenüberliegenden Wandseite. Der Hitzeschildstein weist einen an die Heißseite angrenzenden Heißseitenbereich sowie einen an die Wandseite angrenzenden Wandseitenbereich auf. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkammer mit einer inneren Brennkammerauskleidung sowie eine Gasturbine.

[0002] Um einen extrem hohen Temperaturen ausgesetztes Bauteil, beispielsweise ein Hitzeschildelement, etwa einen Hitzeschildstein oder eine Gasturbinenschaufel, hitzebeständig zu machen, ist es z.B. aus der US-PS 4,321,311 bekannt, das Bauteil aus einem metallischen Grundkörper herzustellen und den metallischen Grundkörper mit einer keramischen Wärmedämmschicht aus ZrO₂ zu beschichten. Die Anbindung der keramischen Wärmedämmschicht geschieht dabei über eine metallische Haftvermittlungsschicht aus einer Legierung der Art MCrAlY. Da die keramische Wärmedämmschicht in der Regel ein guter Sauerstoffionenleiter ist, kommt es im Laufe des Betriebseinsatzes des Bauteils zu einer Aufoxidation der Haftvermittlungsschicht, wodurch es zu einer Ablösung der Wärmedämmschicht von dem metallischen Grundkörper kommen kann. Dadurch ist die Einsatzdauer eines derartigen Bauteils beschränkt. Dies ist insbesondere bei häufigen Temperaturwechseln der Fall, welche beim An- und Abfahren einer Gasturbine auftreten.

[0003] In dem Artikel "Keramische Gradientenwerkstoffe für Komponenten in Verbrennungsmotoren" von W. Henning et al. in Metall, 46. Jahrgang, Heft 5, Mai 1992, Seiten 436 bis 439, ist zur Verbesserung der Temperaturwechselbeständigkeit von Kolbenböden ein Faserkeramik-Körper mit Dichtegradienten angegeben. Dieser Faserkeramik-Körper ist aus vier Schichten unterschiedlicher Schichtdicke mit unterschiedlichem Keramikanteil aufgebaut. Der Unterschied in dem Keramikanteil besteht darin, dass sich das Verhältnis an Fasern (Al₂O₃-Kurzfasern) zu Keramikpartikeln aus Al₂TiO₅ der vier Schichten deutlich unterscheidet. Hierdurch ist auch die Porosität der vier Schichten deutlich voneinander verschieden. Die hohe Porosität der Schichten zwischen 40 % und 79 % wird dazu genutzt, um mittels Pressgießens in die Hohlräume des Faserkeramik-Körpers geschmolzenes Metall zur Herstellung eines defektfreien Verbundes einzubringen. Dadurch ist ein Kolbenboden herstellbar, der einen sich stark sprungartig ändernden Gradienten an Metall und Keramik aufweist. Durch die geringe Wärmeleitfähigkeit der keramischen Anteile wird eine thermische Barriere gebildet und der Kolben somit isoliert. Zudem bewirkt die Faserkeramik eine mechanische Verstärkung des Kolbens und damit eine Verbesserung der Thermoschockbeständigkeit des Kolbens.

[0004] In dem Artikel "Projected Research on High Efficiency Energie Conversion Materials", von M. Niino, M. Koizumi in FGM 94, Proceedings of the 3rd International Symposium on Functional Gradient Materials, ed. B. Ilschner, N. Cherradi, S. 601-605, 1994, sind Verbundwerkstoff im Zusammenhang der Entwicklung von Werkstoffen für einen Raumgleiter angegeben, die als Functional Gradient Material (FGM) bezeichnet sind. Wesentliches Merkmal von FGM ist ein kontinuierlicher Zusammensetzungs- und/oder Mikrostrukturgradient, der zu einem kontinuierlichen Gradienten der relevanten Funktionen, z.B. der Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Duktilität und ähnliches mehr führen soll, wobei durch Vermeidung abrupter Eigenschaftsänderung die Belastbarkeit und Effizienz des Werkstoffs gesteigert werden soll. FGM sollen daher die positiven Eigenschaften von Schicht- und Stückverbunden in einem Werkstoff vereinen.

[0005] Aus der WO 98/53940 ist ein Metall-Keramik-Gradientenwerkstoff, insbesondere für ein Hitzeschild oder eine Gasturbinenschaufel, bekannt. Der Metall-Keramik-Gradientenwerkstoff weist einen metallischen Grundwerkstoff, eine Keramik und einen Zusatzstoff für einen Hochtemperatur-Oxidationsschutz auf. Hierbei nimmt die Konzentration des metallischen Grundwerkstoffs von einer metallreichen Zone in eine keramikreiche Zone ab, wobei die Konzentration des Zusatzstoffes einen Konzentrationsgradienten aufweist. In der WO 98/53940 ist weiter ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Gradientenwerkstoffs sowie ein daraus hergestelltes Erzeugnis, beispielsweise eine Gasturbinenschaufel oder ein Hitzeschutzelement einer Gasturbine, beschrieben.

[0006] Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Hitzeschildstein, insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammerwand, anzugeben. Der Hitzeschildstein soll insbesondere im Hinblick auf die unterschiedlichen Anforderungen auf der mit einem heißen Medium, z.B. ein Heißgas, aussetzbaren Heißseite und der der Heißseite gegenüberliegenden Wandseite, ausgestaltet sein. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkammer mit einer inneren Brennkammerauskleidung sowie eine Gasturbine anzugeben.

[0007] Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Hitzeschildstein, insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammerwand, mit einer einem heißen Medium aussetzbaren Heißseite und einer der Heißseite gegenüberliegenden Wandseite, und mit einem an die Heißseite angrenzenden Heißseitenbereich sowie einem an die Wandseite angrenzenden Wandseitenbereich, wobei im Mittel die Korngröße im Wandseitenbereich kleiner ist als im Heißseitenbereich.

[0008] Die Erfindung geht von der Beobachtung aus, dass die Anforderungen an Hitzeschildsteine auf der Heißseite und der der Heißseite gegenüberliegenden Wandseite unterschiedlich sind. Im Betrieb eines Hitzeschildsteins werden die Hitzeschildsteine beispielsweise in Brennkammern von stationären Gasturbinen eingesetzt und dienen der thermischen Isolierung der üblicherweise metallischen Brennkammerwand. Ein Hitzeschildstein ist dabei mit seiner Wandseite angrenzend über eine Tragstruktur an der Brennkammerwand befestigt. Die Heißseite ist im Betrieb einem heißen Medium, beispielsweise dem heißen Verbrennungsgas, ausgesetzt. Aufgrund der Einsatzbedingungen sind an die Heißseite der Hitzeschildsteine daher wesentlich andere Anforderungen gestellt als an die demgegenüber viel kältere Wandseite. In einer Gasturbinenbrennkammer ist die Heißseite der Hitzeschildsteine einer hohen Beanspruchung durch schnell strömende, korrosive, heiße Gase mit typischen Temperaturen von etwa 1500 °C ausgesetzt. Außerdem müssen durch Be- und Entlastungsvorgänge der Gasturbine häufig schroffe Temperaturwechsel von bis zu 1000 °C ertragen werden. Die unter diesen Bedingungen angestrebten Lebensdauern der Steine liegen bei ca. 50.000 Betriebsstunden.

[0009] Mit der Erfindung wird ein neuer Weg beschritten, die teilweise konkurrierenden Erfordernisse, beispielsweise hohe Festigkeit auf der Wandseite und demgegenüber Ertragen hoher Wärmespannungen, Temperatur- und Temperaturwechselfestigkeit auf der Heißseite, mit dem vorgeschlagenen Hitzeschildstein besser miteinander zu verbinden. Dabei werden die relevanten kritischen Bereiche, nämlich der an die Heißseite angrenzende Heißseitenbereich sowie der an die Wandseite angrenzende Wandseitenbereich des Hitzeschildsteins hinsichtlich ihrer Struktur gezielt an die jeweiligen Anforderungen angepasst. Hierbei wird die Korngrößenverteilung im Heißseitenbereich und im Wandseitenbereich bereichsspezifisch an die jeweilige thermomechanische Belastung angepasst. Als ausgewählter Strukturparameter wird die Korngröße in dem Wandseitenbereich und in dem Heißseitenbereich eingestellt, wobei im Mittel die Korngröße im Wandseitenbereich kleiner ist als im Heißseitenbereich. Als Mittel der Korngröße wird hierbei der Mittelwert der Korngrößendurchmesserverteilung in einem jeweiligen Bereich verstanden. Mit einer an die Anforderungen angepassten Korngrößenstrukturierung der jeweiligen Bereiche ist ein hinsichtlich der Belastung angepasster und gegenüber herkömmlichen Hitzeschutzelementen verbesserter Hitzeschildstein realisiert. Hierbei können insbesondere die Anforderungen einer großen Thermoschockbeständigkeit im Heißseitenbereich sowie einer großen Festigkeit im Wandseitenbereich miteinander in einem Hitzeschildstein realisiert werden.

[0010] Vorteilhafterweise kann der Hitzeschildstein hierbei aus einem einheitlichen Material bestehen, beispielsweise aus einem feuerfesten Material, wobei lediglich die Einstellung der unterschiedlichen Korngrößen im Wandseitenbereich und im Heißseitenbereich erfolgt. Bereits durch die strukturelle Anpassung des Hitzeschildsteins wird das gewünschte Ergebnis erzielt. Es ist aber auch durchaus möglich einen Stein mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen, beispielsweise ein Gemisch aus zwei oder mehreren Substanzen, auszuwählen, und die strukturelle Anpassung in Bezug auf die Korngröße in dem Wandseitenbereich und in dem Heißseitenbereich gemäß der Erfindung in entsprechender Weise vorzunehmen. Die Erfindung zeichnet sich somit durch eine hohe Flexibilität aus, da der relevante Parameter, nämlich die Korngrößenverteilung oder das arithmetische Mittel hieraus, ein struktureller Parameter ist, der a priori unabhängig von der chemischen Zusammensetzung beeinflussbar und somit im Hinblick auf die oben genannten Anforderungen einstellbar ist.

[0011] Vorzugsweise ist die Korngröße im Wandseitenbereich um etwa einen Faktor 0,4 bis 0,9, insbesondere einen Faktor 0,6 bis 0,8, kleiner als im Heißseitenbereich. Durch diese Skalierungsfaktoren ist die Korngröße in dem Heißseitenbereich und in dem Wandseitenbereich relativ zueinander einstellbar, so dass man von absoluten Dimensionen des Hitzeschildsteins und der relevanten Belastungsbereiche (Heißseitenbereich, Wandseitenbereich), weitgehend unabhängig ist. Vorteilhafterweise sind dadurch Hitzeschildsteine unterschiedlicher Geometrie, Materialdicke oder Zusammensetzung, mit belastungsbereichsspezifischer Korngrößenanpassung realisierbar.

[0012] Vorzugsweise beträgt im Mittel die Korngröße im Heißseitenbereich zwischen etwa 1,5 mm und 3,5 mm. Insbesondere ist im Mittel die Korngröße im Heißseitenbereich größer als etwa 2 mm.

[0013] Bevorzugt beträgt im Mittel die Korngröße im Wandseitenbereich zwischen etwa 0,6 mm und 1,4 mm. Insbesondere ist im Mittel die Korngröße im Wandseitenbereich kleiner als etwa 1,2 mm.

[0014] Mit der Dimensionierung der Korngröße gemäß oben genannten Grenzen sind insbesondere Hitzeschildsteine mit Dimensionen, wie sie üblicherweise beim Einsatz eines Hitzeschildsteins in der Brennkammer einer Gasturbine von Bedeutung sind, belastungsgerecht angebbar. Im konkreten Fall ist natürlich empirisch und/oder rechnerisch die jeweilige thermomechanische Belastung im Wandseitenbereich und im Heißseitenbereich zu ermitteln, und eine belastungsgerechte Korngröße in den Bereichen präzise vorzusehen.

[0015] In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind entlang einer Richtung von der Heißseite zu der Wandseite Schichten mit abnehmender Korngröße vorgesehen.

[0016] In den Schichten wird hierbei jeweils eine mittlere Korngröße eingestellt, so dass von dem Heißseitenbereich zu dem Wandseitenbereich die mittlere Korngröße schichtweise abnimmt. In jeder Schicht wird dabei vorzugsweise eine jeweilige Korngröße eingestellt. Diese schichtweise Abstufung der eingestellten Korngrößen in den Schichten erfolgt vorteilhafterweise graduell, so dass unzulässig große Änderungen (Sprünge) in den Materialeigenschaften weitgehend vermieden und ein Hitzeschildstein mit an die Anforderungen entsprechend angepassten Eigenschaften erreichbar ist. Die relevanten Werkstoffeigenschaften, z.B. Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Duktilität und ähnliches mehr, können durch die Vermeidung abrupter Eigenschaftsänderungen zu einer Steigerung der Belastbarkeit und Effizienz des Hitzeschildstein führen. Vorteilhafterweise kann dabei der Wandseitenbereich und/oder der Heißseitenbereich eine jeweilige Schicht mit entsprechender Korngrößenanpassung aufweisen.

[0017] Vorzugsweise beträgt die Anzahl der Schichten hierbei etwa 5 bis 30, insbesondere etwa 10 bis 20.

[0018] Die genaue Wahl der Anzahl der Schichten hängt vom jeweiligen Belastungsfall und von der erforderlichen graduellen Anpassung der Korngröße von dem Heißseitenbereich zu dem Wandseitenbereich ab. Verfahrenstechnisch kann beispielsweise die Herstellung eines solchen Hitzeschildsteins mit einem bezüglich der Korngröße eingestellten Strukturgradienten derart erfolgen, dass ein Pulver mit einem Grundwerkstoff für den Hitzeschildstein, beispielsweise eine Keramik oder ein anderes Feuerfestmaterial, übereinander zu einer Schüttung schichtweise geschüttet wird, und dass die Schüttung anschließend entsprechen gepresst und zu dem einen Strukturgradienten aufweisenden Hitzeschildstein gesintert wird, wobei im Mittel die Korngröße im Wandseitenbereich kleiner ist als im Heißseitenbereich und entsprechend der Anzahl der Schichten eine graduelle Anpassung der Korngröße erfolgt.

[0019] Vorzugsweise ändert sich entlang einer Richtung von der Heißseite zu der Wandseite die Korngröße im Wesentlichen kontinuierlich.

[0020] Eine kontinuierliche Änderung der Korngröße ist besonders vorteilhaft, weil hierdurch praktisch jegliche abrupte Änderungen in den relevanten Materialeigenschaften beim Übergang von dem Wandseitenbereich zu dem Heißseitenbereich vermieden werden. Durch eine entsprechend hohe Anzahl von Schichten kann eine quasi-kontinuierliche Anpassung erreicht werden.

[0021] Herstellungstechnisch ist eine solche kontinuierliche Anpassung entsprechend aufwendiger. Ein kontinuierlicher oder quasi-kontinuierlicher Übergang der Korngrößenverteilung (Mittelwert der Korngrößendurchmesser-Verteilung) kann hierbei beispielsweise in einer linearen Funktion erfolgen. Allgemein können aber auch Polynome höherer Ordnung oder andere stetige oder stetig-differenzierbare Funktionen diesen Übergang erreichen. Die Wahl ist je nach Belastungsfall und Belastungsverlauf von der Heißseite zu der Wandseite des Hitzeschildsteins in geeigneter Weise zu treffen und entsprechende Funktionen für die Anpassung des Übergangs anzuwenden.

[0022] In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Hitzeschildstein aus mindestens zwei Stoffen, mit einem ersten Stoff und mit einem davon verschiedenen zweiten Stoff, zusammengesetzt.

[0023] Durch diese Ausgestaltung sind vorteilhafterweise auch Hitzeschildsteine, die zumindest aus einem Zweistoffgemisch bestehen, gemäß dem Konzept der Erfindung mit einer bereichsspezifischen Korngrößenanpassung ausgestaltbar. Neben Zweistoffgemischen sind auch Hitzeschildsteine, die aus mehr als zwei chemischen Verbindungen zusammengesetzt sind hinsichtlich ihrer Korngrößenverteilung strukturierbar.

[0024] Bevorzugt ist hierbei die Konzentration des ersten Stoffs im Wandseitenbereich größer als im Heißseitenbereich.

[0025] Hierdurch werden die Vorteile einer strukturellen Anpassung der Korngröße im Heißseitenbereich und im Wandseitenbereich in vorteilhafter Weise mit einer chemischen Anpassung hinsichtlich der Konzentration des ersten Stoffes im Wandseitenbereich und im Heißseitenbereich kombiniert. Zu der strukturellen Abstufung tritt bei Zweistoffgemischen eine chemische Abstufung, die wie die strukturelle auch graduell mit einem Schichtsystem oder im Wesentlichen kontinuierlich von dem Heißseitenbereich in den Wandseitenbereich durchführbar ist.

[0026] Durch die Abstufung der Korngröße und der chemischen Zusammensetzung können abrupte Änderungen in den Materialeigenschaften in besonders vorteilhafter Weise vermieden werden. Die Anpassung des Hitzeschildsteins an die thermomechanischen Erfordernisse ist dadurch weiter verbessert. Durch die Korngrößen- und Konzentrationsanpassung ist ein mehrdimensionaler Parameterraum für eine belastungsbereichsspezifische Ausgestaltung eines Hitzeschildsteins erreicht.

[0027] Der erste Stoff, mit der höheren Konzentration im Wandseitenbereich als im Heißseitenbereich, weist vorteilhafterweise Eigenschaften auf, die die Festigkeit im Wandseitenbereich gegenüber der Festigkeit im Heißseitenbereich erhöhen, da aufgrund der Anforderungen beispielsweise beim Einsatz des Hitzeschildsteins in der Brennkammer einer Gasturbine, der Wandseitenbereich die größere Festigkeit erfordert. Demgegenüber ist das Festigkeitserfordernis im Heißseitenbereich von untergeordneter Bedeutung gegenüber der Thermoschockbeständigkeit im Heißseitenbereich. Daher ist die Konzentration des ersten Stoffes im Heißseitenbereich gegenüber dem Kaltseitenbereich vorzugsweise geringer einzustellen. Die Anpassung der Konzentration, d. h. der Konzentrationsgradient des ersten Stoffes und/oder des zweiten Stoffes erfolgt dabei vorteilhafterweise graduell in entsprechenden Schichten oder ist in kontinuierlicher Weise angepasst.

[0028] Vorzugsweise ist der erste Stoff ein Oxid und der zweite Stoff ein Silicat, insbesondere eine Silicatkeramik.

[0029] Vorzugsweise ist der erste Stoff Aluminiumoxid Al₂O₃ und der zweite Stoff Aluminiumsilicat 3Al₂O₃•2SiO₂.

[0030] Als für den Einsatz unter den oben beschriebenen Bedingungen besonders gut geeignet erweisen sich Hitzeschildsteine einer Qualität, die Aluminiumsilicat 3Al₂O₃•2SiO₂ sowie Aluminiumoxid Al₂O₃ enthalten. Das Aluminiumoxid kann dabei als Korund (grob kristallin) eingebracht sein. Aluminiumoxid bildet sehr harte, farblose Kristalle und weist einen hohen Schmelzpunkt bei 2050 °C auf. Daher ist es für Hochtemperaturanwendungen als Bestandteil eines Hitzeschildsteins in besonderer Weise geeignet. Aluminiumsilicat 3Al₂O₃•2SiO₂, auch als Mullit bezeichnet, entsteht beispielsweise durch Brennen (Erhitzen) von geformtem, feuchtem Ton, evtl. mit Zuschlägen von Quarzsand und Feldspat, bis zum Sintern oder Schmelzen. Hitzeschildsteine, die zumindest Aluminiumoxid und Aluminiumsilicat aufweisen, sind hinsichtlich der Korngröße im Heißseitenbereich und im Wandseitenbereich und hinsichtlich der Konzentrationsanteile der beiden Stoffe gut anpassbar.

[0031] Hierbei kann insbesondere der Mullitanteil gegenüber dem Aluminiumoxidanteil im Wandseitenbereich geringer sein als im Heißseitenbereich. Bevorzugt kann der Mullitanteil im Wandseitenbereich deutlich kleiner sein als der Aluminiumoxidanteil. Insbesondere kann der Aluminiumoxidanteil im Wandseitenbereich der dominante Anteil bei der Zusammensetzung des Hitzeschildsteins sein. Weiter bevorzugt kann der Wandseitenbereich überwiegend aus Aluminiumoxid, insbesondere praktisch ausschließlich aus Aluminiumoxid, bestehen. Weiter bevorzugt ist in dem Heißseitenbereich der Mullit-Anteil größer als der Aluminiumoxid-Anteil. Insbesondere ist in dem Heißseitenbereich der Mullit-Anteil so viel größer als der Aluminiumoxid-Anteil, dass insbesondere der Mullit-Anteil der dominante Bestandteil des Hitzeschildsteins in dem Heißseitenbereich ist. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung besteht der Heißseitenbereich praktisch ausschließlich aus Mullit.

[0032] Vorteilhafterweise weist ein gemäß den obigen Ausführungen bevorzugt ausgestalteter Hitzeschildstein, mit einem dominanten Mullit-Anteil im Heißseitenbereich und einem dominanten Aluminiumoxid-Anteil im Wandseitenbereich, eine hohe Festigkeit im Wandseitenbereich bei gleichzeitig hoher Thermoschockbeständigkeit im Heißseitenbereich auf.

[0033] In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der erste Stoff eine Keramik und der zweite Stoff ein Metall. Dadurch können vorteilhafterweise auch Metall aufweisende Hitzeschildsteine, wie sie beispielsweise in der WO 98/53940 mit einem Metall-Keramik-Gradientenwerkstoff beschrieben sind, hinsichtlich einer belastungsbereichsspezifischen Korngrößenanpassung verbessert werden. Das Konzept der Erfindung ist mithin auf eine Vielzahl von unterschiedlicher chemischen Zusammensetzungen von Hitzeschildsteinen anwendbar.

[0034] Die auf eine Brennkammer gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Brennkammer mit einer inneren Brennkammerauskleidung, die Hitzeschildsteine gemäß den obigen Ausführungen aufweist.

[0035] Die auf eine Gasturbine gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Gasturbine mit einer solche Hitzeschildsteine aufweisenden Brennkammer.

[0036] Die Vorteile einer solchen Brennkammer und einer solchen Gasturbine ergeben sich entsprechend den Ausführungen zum Hitzeschildstein.

[0037] Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen hierbei schematisch und teilweise vereinfacht:

FIG 1

in perspektivischer Darstellung einen Hitzeschildstein,

FIG 2

eine vergrößerte Ansicht der in FIG 1 gezeigten Einzelheit II,

FIG 3

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

FIG 4

in einem Ausschnitt eine Seitenansicht eines Hitzeschildsteins mit Schichtaufbau,

FIG 5

ein Diagramm mit der Darstellung des Verhaltens der Korngröße des in FIG 4a gezeigten Hitzeschildsteins, und

FIG 6

einen stark vereinfachten Längsschnitt durch eine Gasturbine.

[0038] Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.

[0039] In FIG 1 ist in perspektivischer Darstellung ein Hitzeschildstein 1 gezeigt. Der Hitzeschildstein 1 weist eine quaderförmige Geometrie auf, mit einer Heißseite 3 und einer der Heißseite gegenüberliegenden Wandseite 5. An die Heißseite 3 grenzt ein Heißseitenbereich 7 an. An die Wandseite 5 grenzt ein Wandseitenbereich 9 an. Der Heißseitenbereich 7 und der Wandseitenbereich 9 erstrecken sich jeweils von der Heißseite 3 bzw. der Wandseite 5 in das Innere des quaderförmigen Hitzeschildsteins 1. Das Material aus dem der Hitzeschildstein 1 zusammengesetzt ist, beispielsweise eine Feuerfestkeramik, weist in dem Wandseitenbereich 9 und in dem Heißseitenbereich 7 eine jeweilige Korngrößenverteilung auf. Dabei ist die Korngrößenverteilung so eingestellt, dass im Mittel die Korngröße D im Wandseitenbereich 9 kleiner ist als im Heißseitenbereich 7. Durch diese strukturelle Ausgestaltung des Hitzeschildsteins 1 ist dieser an die thermomechanischen Anforderungen bereichsspezifisch angepasst. Insbesondere beim Einsatz des Hitzeschildsteins 1 in einer Brennkammer, beispielsweise einer Brennkammer einer Gasturbine, sind die Anforderungen an den Hitzeschildstein 1 in dem Heißseitenbereich 7 und dem Wandseitenbereich 9 unterschiedlich. Mit der gezielten Korngrößeneinstellung gemäß der Erfindung können die teilweise konkurrierenden Erfordernisse im Heißseitenbereich 7 und im Wandseitenbereich 9 gleichermaßen weitgehend erfüllt und gegenüber herkömmlich ausgestalteten Hitzeschildsteinen 1 deutliche Verbesserungen erzielt werden. Dadurch ist beispielsweise im Wandseitenbereich 9 eine hohe Festigkeit und im Heißseitenbereich 9 eine besondere Resistenz gegenüber hohen Wärmespannungen, Temperatur- und Temperaturwechselbelastung (Thermoschockbeständigkeit) erreicht. Der Hitzeschildstein 1 ist mithin für Hochtemperaturanwendungen und für eine Beaufschlagung mit einem korrosiven, heißen Medium, beispielsweise einem Heißgas, mit Temperaturen von bis zu 1500 °C, ausgelegt.

[0040] Um die unterschiedlichen Korngrößen in dem Heißseitenbereich 7 und im Kaltseitenbereich 9 zu veranschaulichen sind in den Figuren 2 und 3 jeweils Einzelheiten II bzw. III in vergrößerter Darstellung gezeigt. Die Einzelheiten X1, X2 sind hierbei um etwa den gleichen Faktor gegenüber der Darstellung in FIG 1 vergrößert. FIG 2 zeigt die Einzelheit II, d. h. einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Heißseitenbereich 7 des Hitzeschildsteins 1. Der Heißseitenbereich 7 weist eine Kornstruktur mit einer Vielzahl von aneinander grenzenden Körner 21, 23 auf. Das Ensemble einer Vielzahl von Körnern 21, 23 kann hinsichtlich der Korngröße D, d. h. des Korngrößendurchmessers, untersucht werden. Dabei weist die Korngröße im Heißseitenbereich 7 im Mittel eine Größe D_H auf. Zum Vergleich dazu zeigt FIG 3 mit der Einzelheit III ausschnittsweise eine Kornstruktur, wie sie im Wandseitenbereich 9 des Hitzeschildsteins 1 gemäß der Erfindung eingestellt ist. Die Kornstruktur im Wandseitenbereich 9 weist eine Vielzahl von Körnern 25, 27 auf, die aneinander grenzen und ein Gefüge in dem Wandseitenbereich 9 bilden. Die Korngröße D_W in dem Wandseitenbereich 9 ist hierbei kleiner als die Korngröße D_H im Heißseitenbereich 7.

[0041] FIG 4 zeigt ausschnittsweise eine schematische Seitenansicht eines Hitzeschildsteins 1. Auf die Figur 5 wird in diesem Zusammenhang zum besseren Vergleich ebenso hingewiesen. Entlang einer Richtung 13 von der Heißseite 3 zu der Wandseite 5 des Hitzeschildsteins 1 sind Schichten 11A bis 11F vorgesehen. Der Heißseitenbereich 7 umfasst dabei eine der Heißseite 3 zugeordnete Schicht 11A, während der Wandseitenbereich 9 eine der Wandseite 5 zugeordnete Schicht 11F umfasst. Der Hitzeschildstein 1 ist hierbei aus zumindest zwei Stoffen 17, 19 zusammengesetzt, wobei ein erster Stoff 17 und ein davon verschiedener zweiter Stoff 19 in den Hitzeschildstein 1 eingebaut ist.

[0042] In FIG 5 ist ein Diagramm gezeigt, welches die mittlere Korngröße D entlang der Richtung 13 von der Heißseite 3 zu der Wandseite 7 graphisch veranschaulicht (vertikale Achse). Die Schichtabfolge der Schichten 11A bis 11F ist dabei entlang der Richtungsachse 13 veranschaulicht. Die Korngröße D ist entlang der Achse 15 aufgetragen (horizontale Achse). In dem die Schicht 11A umfassenden Heißseitenbereich 7 weist der Hitzeschildstein 1 eine Korngröße D_H auf. In dem die Schicht 11F umfassenden Wandseitenbereich 9 weist der Hitzeschildstein 1 eine mittlere Korngröße D_W auf. Dabei ist die Korngröße D_W kleiner als die Korngröße D_H. Weiter ist in den zwischen der Schicht 11A und der Schicht 11F liegenden Zwischenschichten 11B bis 11E eine jeweilige Korngröße D eingestellt. Hierbei nimmt die Korngröße D entsprechend schichtweise von der Heißseite 3 zu der Wandseite 5 ab. Somit ist entlang der Richtung 13 von der Heißseite 3 zu der Wandseite 5 eine graduelle, insbesondere treppenförmige, Anpassung der Korngröße D erreicht, wodurch auch die relevanten Materialeigenschaften des Hitzeschildsteins 1, z.B. Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Duktilität, u.ä.m. entsprechend graduell aufeinander abgestimmt sind. Hierdurch werden abrupte Eigenschaftsänderungen vermieden und die Belastbarkeit und Effizienz des den Hitzeschildstein 1 bildenden Werkstoffs erheblich gesteigert.

[0043] In FIG 5 sind mögliche Varianten für den Verlauf der Korngröße D als Funktion der Schichtabfolge 11A bis 11F vereinfacht dargestellt. Der Kurvenzug T₁ liefert hierbei ein Abbild einer graduellen, insbesondere treppenförmigen, Anpassung der Korngröße D von der kleineren Korngröße D_W bis zur größeren Korngröße D_H, wie sie in den Bereichen 7, 9 jeweils eingestellt sind. Bei einer entsprechenden Vielzahl von Schichten 11A bis 11F ist es aber auch möglich, die Anpassung der Korngröße D entlang einer Richtung 13 von der Heißseite 3 zu der Wandseite 9 durch eine kontinuierliche, zumindest aber eine quasi-kontinuierliche Funktion, zu ändern. Zur Veranschaulichung dieses Sachverhaltes ist in dem Diagramm der FIG 5 ein weiterer Kurvenzug T₂ dargestellt. Der Kurvenzug T₂ stellt eine lineare Anpassung entlang der Richtungsachse 13 dar. Hierbei wird die Korngröße D von dem Heißseitenbereich 7 zu dem Wandseitenbereich 9 entlang der Richtungsachse 13 linear von D_H bis D_W geändert. Neben den Kurvenzügen T₁ und T₂ sind aber auch andere Anpassungen der Korngröße D entlang der Richtungsachse 13 möglich. So sind Anpassungen mittels Polynomen höherer Ordnung oder wahlweise anderer stetiger oder stetig-differenzierbarer Funktionen möglich. Dies ist belastungsfallabhängig und abhängig von den thermomechanischen Anforderungen für den Hitzeschildstein 1 jeweils anpassbar.

[0044] Zusätzlich zu der Anpassung der Korngröße D kann, insbesondere im Falle eines Zweistoffgemisches, eine Anpassung der Konzentrationen der chemischen Bestandteile, nämlich des ersten Stoffes 17 und des zweiten Stoffes 19 in dem Hitzeschildstein 1 eingestellt sein. Durch diese Kombination von struktureller und chemischer Anpassung des Hitzeschildsteins 1 ist insbesondere eine hohe Thermoschockbeständigkeit im Heißseitenbereich 7 bei einer hohen Festigkeit im Wandseitenbereich 9 erzielbar. Als erster Stoff 17 kommt beispielsweise Aluminiumoxid Al₂O₃ zum Einsatz, während als zweiter Stoff 19 Mullit Verwendung findet. Dabei kann sich die Konzentration des ersten Stoffes 17 und/oder des zweiten Stoffes 19 entlang der Richtungsachse 13 von der Wandseite 3 zu der Heißseite 5 in einer an die Belastung angepassten Weise ändern.

[0045] Beim Einsatz in einer Gasturbine beispielsweise ist die Heißseite 3 einem heißen aggressiven Medium, dem Heißgas, ausgesetzt und die Konzentration des ersten Stoffe 17, z.B. Aluminiumoxid Al₂O₃, im Wandseitenbereich 9 größer als im Heißseitenbereich 7 eingestellt. In dem Heißseitenbereich 7 ist die Konzentration des zweiten Stoffs 19, beispielsweise Mullit, größer als die Konzentration des ersten Stoffes 17 (z.B. Aluminiumoxid Al₂O₃). Beispielsweise kann in einem Zweistoffgemisch die Konzentration des ersten Stoffes 17, etwa Aluminiumoxid Al₂O₃, im Wandseitenbereich 9 nahezu 100% betragen, während im Heißseitenbereich 7 die Konzentration des zweiten Stoffes 19, z.B. Mullit, nahezu 100% beträgt.

[0046] FIG 6 zeigt stark schematisiert und vereinfacht in einem Längsschnitt eine Gasturbine 31. Entlang einer Turbinenachse 33 sind aufeinander folgend angeordnet: Ein Verdichter 35, eine Brennkammer 37 sowie ein Turbinenteil 39. Die Brennkammer 37 ist mit einer Brennkammerauskleidung 41 innen ausgekleidet. Die Brennkammer 37 weist eine Brennkammerwand 43 auf. Durch die Brennkammerwand 43 ist eine Tragstruktur 45 gebildet. Die Brennkammer 37 weist Hitzeschildsteine 1, 1A, 1B gemäß den obigen Ausführungen auf. Hierbei sind die Hitzeschildsteine 1, 1A, 1B mit ihrer Wandseite 5 der Tragstruktur 45 zugewandt an der Tragstruktur 45 mittels geeigneten, nicht näher dargestellten, Befestigungselementen befestigt. Im Betrieb der Gasturbine 31 sind die Hitzeschildsteine 1, 1A, 1B zumindest mit ihrer jeweiligen Heißseite 3 von einem heißen Medium M, dem Heißgas der Gasturbine, beaufschlagt. Gerade bei einer Gasturbine 31 kann es zu erheblichen Vibrationen etwa durch Brennkammerbrummen kommen. Im Resonanzfall können sogar stoßartige akustische Brennkammerschwingungen mit großen Schwingungsamplituden auftreten. Diese Vibrationen führen zu einer erheblichen Beanspruchung der Brennkammerauskleidung 41. Dabei sind sowohl die Tragstruktur 45 als auch die Hitzeschildsteine 1, 1A, 1B betroffen. Durch Stöße sind vor allen Dingen die Hitzeschildsteine 1A, 1B gefährdet, insbesondere wegen der bestehenden Bruchgefahr. Weiter sind die Hitzeschildsteine 1, 1A, 1B besonders stark thermisch belastet, insbesondere auf der mit dem Heißgas M beaufschlagten Heißseite 3. Durch die Ausgestaltung der Hitzeschildsteine 1, 1A, 1B mit einer bereichsspezifisch belastungsgerechten Einstellung der Korngröße D, vorzugsweise auch zusätzlich mit einer Variation der chemischen Zusammensetzung bei einem Zweistoffsystem, ist ein an die Anforderungen angepasster Hitzeschildstein 1, 1A, 1B in der Brennkammer 37 eingebaut. Dadurch ergibt sich eine besonders hohe Unempfindlichkeit der Brennkammerauskleidung 41 gegenüber Stößen oder Vibrationen oder Temperaturbelastung, insbesondere Temperaturwechselbelastung.

Ansprüche

1. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B), insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammerwand (43), mit einer einem heißen Medium (M) aussetzbaren Heißseite (3) und einer der Heißseite (3) gegenüberliegenden Wandseite (5), und mit einem an die Heißseite (3) angrenzenden Heißseitenbereich (7) sowie einem an die Wandseite (5) angrenzenden Wandseitenbereich (9),
dadurch gekennzeichnet, dass im Mittel die Korngröße (D) im Wandseitenbereich (9) kleiner ist als im Heißseitenbereich (7).

2. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße (D) im Wandseitenbereich (9) um etwa einen Faktor 0,4 bis 0,9, insbesondere einen Faktor 0,6 bis 0,8, kleiner ist als im Heißseitenbereich (7).

3. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass im Mittel die Korngröße (D) im Heißseitenbereich (7) zwischen etwa 1,5 mm und 3,5 mm beträgt, insbesondere größer als etwa 2 mm ist.

4. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass im Mittel die Korngröße (D) im Wandseitenbereich (9) zwischen etwa 0,6 mm und 1,4 mm beträgt, insbesondere kleiner als etwa 1,2 mm ist.

5. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass entlang einer Richtung (13) von der Heißseite (3) zu der Wandseite (5) Schichten (11A, 11B, 11C) mit abnehmender Korngröße (D) vorgesehen sind.

6. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Schichten (11A, 11B, 11C) etwa 5 bis 30, insbesondere etwa 10 bis 20, beträgt.

7. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass entlang einer Richtung (13) von der Heißseite (3) zu der Wandseite (5) die Korngröße (D) sich im wesentlichen kontinuierlich ändert.

8. Hitzeschildstein (1,1A,1B) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass dieser aus mindestens zwei Stoffen (17,19), mit einem ersten Stoff (17) und einem davon verschiedenen zweiten Stoff (19), zusammengesetzt ist.

9. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des ersten Stoffs (17) im Wandseitenbereich (9) größer ist als im Heißseitenbereich (7).

10. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach einem der Ansprüche 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stoff (17) ein Oxid und der zweite Stoff (19) ein Silicat, insbesondere eine Silicatkeramik, ist.

11. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stoff (17) Aluminiumoxid Al₂O₃ und der zweite Stoff (19) Aluminiumsilicat 3Al₂O₃·2SiO₂ ist.

12. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stoff (17) eine Keramik und der zweite Stoff (19) ein Metall ist.

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

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

Zeichnung