Hitzeschildelement, Verfahren zu dessen Herstellung, Heisgasauskleidung und Brennkammer

Abstract

 Ein erfindungsgemäßes Hitzeschildelement umfasst

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

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hitzeschildelement, insbesondere ein keramisches Hitzeschildelement, ein Verfahren zum Herstellen eines keramischen Hitzeschildelementes, eine aus Hitzeschildelementen aufgebaute Heisgasauskleidung sowie eine mit einer Heisgasauskleidung versehene Brennkammer, die insbesondere als Gasturbinenbrennkammer ausgebildet sein kann.

[0002] Die Wände von heißgasführenden Brennkammern, beispielsweise von Gasturbinenanlagen erfordern eine thermische Abschirmung ihrer tragenden Struktur gegen Heißgasangriff. Die thermische Abschirmung kann beispielsweise durch eine der eigentlichen Brennkammerwand vorgelagerte Heisgasauskleidung, bspw. in Form eines keramischen Hitzeschildes, realisiert werden. Eine derartige Heisgasauskleidung in der Regel aus einer Anzahl von metallischen oder keramischen Hitzeschildelementen aufgebaut, mit denen die Brennkammerwand flächig ausgekleidet ist. Keramische Materialien bieten sich für den Aufbau einer Heisgasauskleidung im Vergleich zu metallischen Werkstoffen aufgrund ihrer hohen Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und niedrigen Wärmeleitfähigkeit idealerweise an. Ein keramischer Hitzeschild ist bspw. in EP 0 558 540 B1 beschrieben.

[0003] Wegen materialtypischer Wärmedehnungseigenschaften und der im Rahmen des Betriebs typischerweise auftretenden Temperaturunterschiede - etwa zwischen der Umgebungstemperatur bei Stillstand der Gasturbinenanlage und der maximalen Temperatur bei Volllast - muss die Wärmebeweglichkeit insbesondere keramischer Hitzeschilde in Folge temperaturabhängiger Dehnung gewährleistet sein, damit keine den Hitzeschild zerstörenden Wärmespannungen durch Behinderung der temperaturabhängigen Dehnung auftreten. Zwischen den einzelnen Hitzeschildelementen sind daher Dehnspalte vorhanden, um die Wärmeausdehnung der Hitzeschildelemente zu ermöglichen. Aus Sicherheitsgründen sind die Dehnspalte so ausgelegt, dass die auch bei maximaler Temperatur des Heißgases nie völlig geschlossen sind.
Es ist daher sicherzustellen, dass das Heißgas nicht über die Dehnspalte zur tragenden Wandstruktur der Brennkammer gelangt. Um die Dehnspalte gegen den Eintritt von Heißgas zu sperren, werden diese häufig mit einem in Richtung des Brennkammerinneren strömenden Sperrluftstrom gespült. Als Sperrluft findet in der Regel Luft Verwendung, die gleichzeitig als Kühlluft zum Kühlen von die Hitzeschildelemente haltenden Haltelementen dient, was u.a. zum Auftreten von Temperaturgradienten im Bereich der Kanten eines Hitzeschildelementes führt. Daher kommt es insbesondere bei keramischen Hitzeschildelementen auch ohne die Berührung benachbarter Hitzeschildelemente zu Spannungen auf der Heisseite, welche zu Rissbildungen führen und damit die Lebensdauer der Hitzeschildelemente negativ beeinflussen können.

[0004] Um den Bedarf an Sperrluft zu verringern, wurde in EP 1 302 723 A1 vorgeschlagen, Strömungsbarrieren in den Dehnspalten anzuordnen. Dies kann auch zu einer Verringerung des Temperaturgradienten im Bereich der Kanten führen. Das Einbringen von Strömungsbarrieren ist jedoch nicht immer ohne weiteres möglich und erhöht zudem die Komplexität eines Hitzeschildes.

[0005] Alternative Vorgehensweisen bestehen darin, Hitzeschildelemente aus Metall zu verwenden. Metallische Hitzeschildelemente weisen zwar gegenüber Temperaturschwankungen und mechanischen Belastungen eine höhere Widerstandsfähigkeit als keramische Hitzeschildelemente auf, erfordern jedoch bspw. in Gasturbinenberennkammern eine aufwändige Kühlung des Hitzeschildes, da sie eine höhere Wärmeleitfähigkeit als keramische Hitzeschildelemente besitzen. Außerdem sind metallische Hitzeschildelemente korrosionsanfälliger und können aufgrund ihrer geringeren Temperaturstabilität nicht so hohen Temperaturen ausgesetzt werden wie keramische Hitzeschildelemente.

[0006] Um Rissbildungen zu minimieren ist man daher in der Regel bemüht die thermische Belastung der Hitzeschildelemente eines Hitzeschildes möglichst gering zu halten.

[0007] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Hitzeschildelement zur Verfügung zu stellen, in dem die Neigung zur Rissbildung reduziert ist.

[0008] Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen vorteilhaften Hitzeschild und eine mit einem vorteilhaften Hitzeschild ausgestattete Brennkammer zur Verfügung zu stellen.

[0009] Schließlich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen vorteilhafter Hitzeschildelemente zur Verfügung zu stellen.

[0010] Die erste Aufgabe der Erfindung wird durch ein Hitzeschildelement nach Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch einen Hitzeschild nach Anspruch 7 bzw. eine Brennkammer nach Anspruch 8 und die dritte Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 9. Die übrigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

[0011] Ein erfindungsgemäßes Hitzeschildelement weist eine einem heißen Medium zuzuwendende Heißseite, eine dem heißen Medium abzuwendende Kaltseite sowie die Heißseite mit der Kaltseite verbindende Umfangsflächen auf. Die Heißseite, die Kaltseite und die Umfangsflächen begrenzen das Materialvolumen des Hitzeschildelementes. Das erfindungsgemäße Hitzeschildelement zeichnet sich dadurch aus, dass das Materialvolumen mindestens zwei Materialbereiche umfasst, welche sich in ihren thermischen Ausdehnungskoeffizienten voneinander unterscheiden.

[0012] Mit geeigneten thermischen Ausdehnungskoeffizienten lässt sich die thermische Ausdehnung der Materialbereiche gezielt beeinflussen. Insbesondere wenn Materialbereiche, die für relativ hohe Betriebstemperaturen vorgesehen sind, einen relativ niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen und Materialbereiche, die für relativ niedrige Betriebstemperaturen vorgesehen sind, einen relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, lassen sich die Spannungen innerhalb des Hitzeschildelementes beim Betrieb eines Hitzeschildes reduzieren.

[0013] In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes grenzt mindestens ein Materialbereich mit relativ niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizient an die Heißseite des Hitzeschildelementes an, wohingegen mindestens ein Materialbereich mit relativ hohem thermischen Ausdehnungskoeffizient an die Kaltseite des Hitzeschildelementes angrenzt. An der Heißseite treten beim Übergang von der Umgebungstemperatur (beispielsweise beim Stillstand einer Gasturbinenanlage) zu maximaler Betriebstemperatur (beispielsweise bei Volllast einer Gasturbinenanlage) größere Temperaturunterschiede auf als an der gekühlten Kaltseite des Hitzeschildelementes. Diese werden in der beschriebenen Ausgestaltung dadurch ausgeglichen, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Hitzeschildelementes im Bereich der Heißseite geringer ist als im Bereich der Kaltseite. Bei geeigneter Wahl der thermischen Ausdehnungskoeffizienten lässt sich die Materialausdehnung im Bereich der Kaltseite an die Materialausdehnung im Bereich der Heißseite anpassen, wodurch Materialspannungen im Hitzeschildelement verringert werden können.

[0014] Außerdem kann wenigstens ein Materialbereich mit relativ hohem thermischen Ausdehnungskoeffizienten an die Umfangsfläche des Hitzeschildelementes angrenzen und wenigstens ein Materialbereich mit relativ niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von den Umfangsflächen aus gesehen im Inneren des Materialvolumens angeordnet sein. In dieser Ausgestaltung kann außerdem auch ein Materialbereich mit relativ niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten an die Heißseite und ein Materialbereich mit relativ hohem thermischem Ausdehnungskoeffizienten an die Kaltseite angrenzen. Da insbesondere im Bereich der Umfangsflächen eine Kühlung der Hitzeschildelemente eines Hitzeschildes aufgrund des Sperrluftstromes erfolgt, treten in Hitzeschildelementen mit homogenem thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich der Umfangsflächen hohe Spannungen auf, die aufgrund der gegenüber dem Rest des Hitzeschildelementes besonders niedrigen Betriebstemperaturen entstehen. Dadurch, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient im Bereich der Umfangsflächen im Vergleich zum Inneren (von den Umfangsflächen aus gesehen) des Hitzeschildelementes erhöht ist, lassen sich die auftretenden Spannungen reduzieren.

[0015] In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes sind einander benachbarte Materialbereiche mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten derart ausgestaltet, dass in der Zone des Übergangs von dem einen Materialbereich zum anderen Materialbereich ein fließender Übergang von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des einen Materialbereiches zu dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des anderen Materialbereiches stattfindet. Aufgrund des fließenden Übergangs des thermischen Ausdehnungskoeffizienten lässt sich die Gefahr einer Zerstörung des Hitzeschildes während des Herstellungsverfahrens, insbesondere während des Sinterprozesses, der bei erhöhter, etwa homogener Temperatur stattfindet, verringern.

[0016] Das erfindungsgemäße Hitzeschildelement kann insbesondere als keramisches Hitzeschildelement ausgestaltet sein.

[0017] Die in Folge der verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verringerte Spannungsbildung beim Auftreten räumlicher Temperaturgradienten innerhalb des keramischen Hitzeschildelementes führt zu einer verringerten Rissbildungsneigung. Dadurch verringert sich in einem keramischen Hitzeschild das Risiko der Ausbildung von langen Rissen, die zu einem Austausch des Hitzeschildelementes führen würden. Zudem führt die verringerte Rissbildungsneigung zu einer höheren Lebensdauer der Hitzeschildelemente und somit zu einer Verringerung der Austauschraten von Hitzeschildelementen in Heisgasauskleidungen.

[0018] Ein erfindungsgemäßer Hitzeschild, der insbesondere als ein Hitzeschild für eine Gasturbinenbrennkammer ausgestaltet sein kann, umfasst eine Anzahl=von unter Dehnspaltbelastung an ihren Umfangsflächen an einander angrenzenden Hitzeschildelementen und eine Sperrfluidzufuhr zum Zuführen eines die Dehnspalte gegen den Eintritt von heißem Medium sperrenden Sperrfluidstroms. Als Sperrfluid kann insbesondere Sperrluft zur Anwendung kommen. Der erfindungsgemäße Hitzeschild zeichnet sich dadurch aus, dass die Hitzeschildelemente als erfindungsgemäße Hitzeschildelemente ausgestaltet sind.

[0019] Eine erfindungsgemäße Brennkammer ist mit einem erfindungsgemäßen Hitzeschild ausgekleidet. Sie kann insbesondere als Gasturbinenbrennkammer ausgebildet sein.

[0020] Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines keramischen Hitzeschildelementes erfolgt ein Pressen oder Gießen einer Grundmaterialmischung und ein anschließendes Sintern der gepressten bzw. gegossenen Grundmaterialmischung. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass vor dem Sintern der gepressten bzw. gegossenen Grundmaterialmischung ein Einstellen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten verschiedener Materialbereiche erfolgt. Durch das Einstellen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten verschiedener Materialbereiche lässt sich die Widerstandsfähigkeit eines mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Hitzeschildelementes gegenüber Temperaturgradienten innerhalb des Hitzeschildelementes erhöhen.

[0021] Das Einstellen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten kann bspw. erfolgen, indem beim Pressen oder Gießen für die entsprechenden Materialbereiche Grundmaterialmischungen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen Verwendung finden. Insbesondere kann die Zusammensetzung der Grundmaterialmischung dabei fließend von der einen Zusammensetzung zur anderen Zusammensetzung umgestellt werden, sodass ein fließender Übergang des thermischen Ausdehnungskoeffizienten realisiert werden kann.

[0022] Alternativ ist es auch möglich, das Einstellen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten vorzunehmen, indem nach dem Pressen oder Gießen der Grundmaterialmischung und vor dem Sintern ein Nachbehandeln mindestens eines Materialbereiches erfolgt, welcher nach dem Sintern einen gegenüber dem Rest der Grundmaterialmischung veränderten, bspw. einen relativ niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizient aufweisen soll. Das Nachbehandeln kann beispielsweise erfolgen, indem der mindestens eine nachzubehandelnde Materialbereich mit einer Flüssigkeit getränkt wird. Diese Vorgehensweise erlaubt eine besonders gute Festlegung von Materialbereichen, die einen gegenüber dem Rest der Grundmaterialmischung veränderten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen sollen.

[0023] Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.

Figur 1 zeigt ein Hitzeschildelement in einer perspektivischen Ansicht.

Figur 2a zeigt eine erste Ausführungsform des in Figur dargestellten Hitzeschildelementes in einem Schnitt entlang der Linie A-A.

Figur 2b zeigt eine Abwandlung des in Figur 2a dargestellten Hitzeschildelementes in einem Schnitt entlang der Linie B-B aus Figur 1.

Figur 3 zeigt eine zweite Ausführungsform des in Figur 1 dargestellten Hitzeschildelementes in einem Schnitt entlang der Linie A-A.

Figur 4 zeigt eine dritte Ausführungsform des in Figur 1 dargestellten Hitzeschildelementes in einem Schnitt entlang der Linie A-A.

Figur 5a zeigt einen ersten Schritt eines ersten Herstellungsverfahrens für ein erfindungsgemäßes Hitzeschildelement.

Figur 5b zeigt einen zweiten Schritt des Herstellungsverfahrens aus Figur 5a.

Fig. 5c zeigt eine alternative Variante des in den Figuren 5a und 5b dargestellten Verfahrens.

Figur 6a zeigt einen ersten Schritt eines zweiten Herstellungsverfahrens für ein erfindungsgemäßes Hitzeschildelement.

Figur 6b zeigt einen zweiten Schritt des in Figur 6a gezeigten Verfahrens.

[0024] Figur 1 zeigt ein keramisches Hitzeschildelement 1 in einer perspektivischen Ansicht. Das Hitzeschildelement 1 weist eine Heißseite 3 auf, welche nach dem Einbau des Hitzeschildelementes 1 in einen Hitzeschild dem heißen Medium zugewandt ist. Der Heißseite 3 gegenüber liegt die Kaltseite 5 des Hitzeschildelementes 1, welche nach dem Einbau in einen Hitzeschild der tragenden Struktur der Brennkammerwand zugewandt und somit dem heißen Medium abgewandt ist. Heißseite 3 und Kaltseite 5 sind über erste Umfangsflächen 7 und zweite Umfangsflächen 9 miteinander verbunden. Die zweiten Umfangsflächen 9 weisen Nuten 11 auf, in weiche mit der Tragstruktur der Brennkammerwand verbundene Halteklammern (nicht dargestellt) eingreifen können, um das Hitzeschildelement nach dem Einbau in eine keramische Heisgasauskleidung in Position zu halten. Die ersten Umfangsflächen 7 weisen dagegen keine Nut auf.

[0025] Die Heißseite 3, die Kaltseite 5, die ersten Umfangsflächen 7 und die zweiten Umfangsflächen 9 umschließen das Materialvolumen des Hitzeschildelementes, welches für die thermische Abschirmwirkung sorgt.

[0026] Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes ist in Figur 2a im Schnitt dargestellt. Der Schnitt verläuft entlang der Linie A-A aus Figur 1. Es sind die Heißseite 13, die Kaltseite 15 sowie die nutfreien Umfangsflächen 17 des Hitzeschildelementes 10 der ersten Ausführungsform zu erkennen. Das Hitzeschildelement 10 weist einen ersten Materialbereich 19 und zweite Materialbereiche 21, die sich vom Materialbereich 19 durch ihren thermischen Ausdehnungskoeffizienten unterscheiden. Der thermische Ausdehnungskoeffizient der Materialbereiche 21 ist dabei größer als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materialbereiches 19. In diesem Sinne weist der Materialbereich 19 einen relativ geringen thermischen Ausdehnungskoeffizient auf, wohingegen die Materialbereiche 21 einen relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.

[0027] Beim Aufbau eines Hitzeschildes, beispielsweise für eine Gasturbinenbrennkammer, wird die tragende Struktur der Brennkammerwand mit einer Anzahl Hitzeschildelementen 10 flächendeckend ausgekleidet. Die Hitzeschildelemente 10 werden dabei derart an einander angrenzend angebracht, dass Dehnspalte zwischen benachbarten Hitzeschildelementen 10 verbleiben. Diese Dehnspalte dienen dazu, eine Ausdehnung der Hitzeschildelemente 10 beim Betrieb der Brennkammer aufgrund der hohen Betriebstemperaturen zu ermöglichen, ohne dass sich die Hitzeschildelemente 10 gegenseitig berühren.

[0028] Um einen Durchtritt des heißen Mediums, beispielsweise heißer Verbrennungsgase, durch die Dehnspalte zur tragenden Struktur der Brennkammerwand zu verhindern, werden die Dehnspalte mit Sperrluft gespült, die gleichzeitig zum Kühlen der die Hitzeschildelemente 10 haltenden Halteelemente dient. Aus diesem Grund herrschen an den sperrluftumströmten ersten Umfangsflächen 17 und den ebenfalls sperrluftumströmten zweiten Umfangsflächen (in Fig. 2a nicht zu erkennen) beim Betrieb der Brennkammer niedrigere Temperaturen als im zentralen Bereich 23 des Hitzeschildelementes 10. Beim Betrieb der Brennkammer würde daher der zentral gelegene Materialbereich 19 eines konventionellen Hitzeschildelementes eine höhere thermische bedingte Ausdehnung erfahren als die im Bereich der Umfangsflächen gelegenen Materialbereiche 21. In den Bereichen niedriger Temperatur, die formschlüssig mit dem Bereich höherer Temperatur verknüpft sind, kommt es daher zur Ausbildung von Zugspannungen. In den Bereichen der höheren Temperatur kommt es entsprechend zur Druckspannungen. Mit anderen Worten, die relativ kühlen Materialbereiche 21 würden in einem konventionellen Hitzeschildelement in Folge ihrer vergleichsweise geringen thermischen Dehnung von dem heißen Zentralbereich 19, der eine größere thermische Dehnung erfährt, unter Zug gesetzt und könnten beim Überschreiten der Materialfestigkeit eine Rissbildung erfahren. Die Risse würden von den Kanten des Hitzeschildes ausgehen und sich in Richtung auf das Hitzeschildinnere erstrecken. Eine derartige Rissbildung kann die Lebensdauer eines Hitzeschildelementes verringern.

[0029] Im erfindungsgemäßen Hitzeschildelement 10 sind die mit Bezug auf ein konventionelles Hitzeschildelement beschriebenen Spannungen insbesondere in den kühlen Umfangsbereichen verringert, da die Materialbereiche 21 einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizient aufweisen als der zentrale Materialbereich 19. Die höhere Temperatur des zentralen Materialbereiches 19 wird also durch den größeren thermischen Ausdehnungsbereichkoeffizienten der Materialbereiche 21 im Bereich der Umfangsflächen 17 ausgeglichen.

[0030] Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialbereiche 19 bzw. 21 sowie die Ausdehnung dieser Materialbereiche im Materialvolumen des Hitzeschildelementes 10 können numerisch derart optimiert werden, dass die Spannungen im Hitzeschildelement 10 minimiert werden. Beispielsweise kann die Ausdehnung der Materialbereiche 21 mit relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten festgelegt werden, indem zunächst eine Berechnung des sich im angestrebten-Betriebszustand bei entsprechenden Randbedingungen im Hitzeschildelement einstellenden Temperaturfeldes durchgeführt wird. Anschließend kann anhand dieses Ergebnisses die Größe der Bereiche 21 für den gewählten thermischen Ausdehnungskoeffizienten so eingestellt werden, dass hierdurch eine Minimierung der Spannungen im Hitzeschildelement 10 erfolgt. Selbstverständlich können auch die thermischen Ausdehnungskoeffizienten und die Ausdehnungen der Materialbereiche simultan optimiert werden. Es ist aber auch möglich, die Ausdehnung beispielsweise der umfänglichen Materialbereiche 21 vorzugeben und mittels einer Optimierung geeignete thermische Ausdehnungskoeffizienten zu finden.

[0031] In Figur 2a sind im Bereich der.nutfreien Umfangsflächen 17 des Hitzeschildelementes Materialbereiche 21 mit gegenüber dem zentralen Materialbereich 19 erhöhtem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und reduzierter thermischer Leitfähigkeit vorhanden. Zusätzlich oder alternativ kann das erfindungsgemäße Hitzeschildelement 10 auch Materialbereiche 20 mit gegenüber dem zentralen Materialbereich 19 erhöhtem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und reduzierter thermischer Leitfähigkeit im Bereich der zweiten Umfangsflächen aufweisen, also im Bereich der mit Nuten 18 versehenen Umfangsflächen(Fig. 2b).

[0032] Eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes ist in Figur 3 im Schnitt dargestellt. Der Schnitt verläuft entlang der in Figur 1 dargestellten Linie A-A. Entsprechend sind die Heißseite 113, die Kaltseite 115 und die nutfreien Umfangsflächen 117 des Hitzeschildelementes 110 zu erkennen.

[0033] Das Hitzeschildelement 110 weist heißseitig einen Materialbereich 119 mit relativ niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und relativ niedriger thermischer Leitfähigkeit auf. Kaltseitig weist es einen Materialbereich 121 mit gegenüber dem heißseitigen Materialbereich 119 erhöhtem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, erhöhter thermischer Leitfähigkeit und erhöhter mechanischer Belastbarkeit auf. Diese Ausgestaltung trägt dem Umstand Rechnung, dass die Heißseite 113 eines Hitzeschildelementes beim Betrieb einer Brennkammer einer höheren Temperatur ausgesetzt ist als die in der Regel gekühlte Kaltseite 115. Im Hitzeschildelement 110 bildet sich daher ein Temperaturgradient von der Heißseite 113 zur Kaltseite 115 hin aus. Die niedrigere Temperatur des kaltseitigen Materialbereiches 121 wird dann beim Betrieb der Brennkammer durch dessen im Vergleich zum heißseitigen Materialbereich 119 höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgeglichen. Spannungen aufgrund des Temperaturgradienten können daher zuverlässig vermieden werden.

[0034] Eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes ist in Figur 4 im Schnitt dargestellt. Der Schnitt verläuft entlang der in Figur 1 dargestellten Linie A-A. Entsprechend sind die Kaltseite 213, die Heißseite 215 und die nutfreien Umfangsflächen 217 des Hitzeschildelementes 210 zu erkennen. Das Hitzeschildelement 210 weist einen ersten, heißseitigen Materialbereich 219 mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten, umfangsseitige zweite Materialbereiche 221 mit einem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten und einen kaltseitigen Materialbereich 223 mit einem dritten thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Dabei können der zweite und der dritte thermische Ausdehnungskoeffizient auch identisch sein. Durch geeignete Wahl der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Materialbereiche können Spannungen, die aufgrund von Temperaturgradienten im Inneren des Hitzeschildelementes 210 auftreten, zuverlässig minimiert werden.

[0035] Weitere Kombinationen von Materialbreichen mit voneinander verschiedenen thermischen und/oder mechanischen Eigenschaften sind möglich, bspw. eine Kombination aus allen in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen erwähnten Materialbereichen.

[0036] In allen drei hier dargestellten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes liegen relativ abrupte Übergänge zwischen den verschiedenen Materialbereichen und damit relativ abrupte Übergänge zwischen verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten vor. Die Bereiche mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten sollten jedoch möglichst nicht in Form von scharfen Grenzen der Materialeigenschaften, sondern vielmehr in Form fließender Übergänge der Materialeigenschaften vorliegen, um der Gefahr einer Zerstörung des Hitzeschildes während des Herstellungsprozesses, insbesondere während des Sinterns, das bei erhöhter, weitgehend homogener Temperatur stattfindet, zu vermeiden.

[0037] Es kann für den jeweiligen Anwendungsfall rechnerisch bestimmt und optimiert werden, wie die Variation des thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgeführt werden muss, damit weder eine Zerstörung des Hitzeschildelementes während des Sintervorgangs droht, gleichzeitig aber eine optimale Wirkung zum Vermeiden der Spannungsbildung im Betriebszustand erreicht wird. Hieraus kann beispielsweise eine optimale Guss- bzw. Pressform für die Herstellung eines Grünlings, das heißt einer Vorstufe des Hitzeschildelementes aus einem polymerkeramischen Material, in welchem eine Teilvernetzung des Polymers vorliegt, abgeleitet werden. Eventuelle Formänderungen des Hitzeschildelementes während des Sinterprozesses können so kompensiert werden.

[0038] Ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes wird nachfolgen mit Bezug auf die Figuren 5a und 5b beschrieben. Die Figur 5a zeigt einen ersten Schritt des Herstellungsverfahrens, Figur 5b eine zweiten Schritt. Das Verfahren umfasst das Gießen von Materialmischungen in eine Gießform 340, um so einen Grünling zu formen, und ein anschließendes Sintern des Grünlings zum Fertigstellen des keramischen Hitzeschildelementes.

[0039] Das Gießen der Materialmischungen ist in den Figuren 5a und 5b dargestellt. Zuerst wird eine Materialmischung 321 mit einer ersten Zusammensetzung in die Gießform 340 gegossen (Fig. 5a). Danach wird eine Materialmischung 319 mit einer zweiten Zusammensetzung über die erste Materialmischung 321 gegossen. Die Konsistenz der Materialmischungen ist dabei derart, dass keine vollständige Vermischung der beiden Materialmischungen eintritt. Eine Mischung im Bereich der Grenzfläche 320 ist jedoch erwünscht.

[0040] Die Zusammensetzungen der Materialmischungen 319 bzw. 321 sind so gewählt, dass die Materialmischung 319 nach dem Sintern einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als die Materialmischung 321.

[0041] Obwohl beim beschriebenen Herstellungsverfahren eine Vermischung der Materialmischungen 319, 321 im Bereich der Grenzfläche 320 erwünscht ist, kann jedoch auch ohne eine derartige Vermischung ein erfindungsgemäßes Hitzeschildelement hergestellt werden. Nach dem Sintern des gegossenen Hitzeschildelementes erhält man ein Hitzeschildelement, wie es in Figur 3 dargestellt ist.

[0042] In der mit Bezug auf die Figuren 5b und 5b beschriebenen Variante des Gießens eines erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes wird dieses liegend gegossen, d.h. entweder der zum Formen der Heißseite dienende Teil der Gießform oder der zum Formen der Kaltseite dienende Teil der Gießform, stellt die Unterseite der Gießform dar. In den Figuren 5a und 5b stellt bspw. der zum Formen der Kaltseite dienende Teil der Gießform die Unterseite dar.

[0043] In einer alternativen Variante des Gießens erfolgt das Gießen des Hitzeschildelementes bei stehender Gießform, d.h. derjenige Teil der Gießform, welcher die Kaltseite formt und derjenige Teil der Gießform, welcher die Heisseite formt, sind Seitenwände der Gießform, wohingegen die Unterseite der Gießform ein Teil der Form ist, welcher eine der Umfangsflächen des Hitzeschildelementes formt. Diese Variante des Gießens ist in Fig. 5c dargestellt, die eine stehende Gießform in Draufsicht zeigt. In der stehenden Gießform 345 können Schablonen 346, 347 dazu dienen, verschiedene Bereiche 348, 349, 350 der Gießform 345 voneinander abzutrennen. In die verschiedenen Bereiche der 348, 349, 350 werden unterschiedliche Materialmischungen gegossen. Mit der Form aus Fig. 5c können bspw. drei verschiedene Materialmischungen zum Einsatz kommen, nämlich eine für die Bereiche 348, eine für den Bereich 349 und eine für den Bereich 350. Es ist aber auch möglich für die beiden voneinander getrennten Abschnitte 348 ebenfalls unterschiedliche Materialmischungen zu verwenden, so dass insgesamt vier Materialmischungen zur Anwendung kommen. Zusätzlich können, wie mit Bezug auf die Figuren 5a und 5b beschrieben, in einen Bereich auch nacheinander verschiedene Materialmischungen eingefüllt werden.

[0044] Nach dem Gießen werden die Schablonen entfernt, um eine Verbindung der gegossenen Materialmischungen herbeizuführen. Auch hier ist die Konsistenz der Materialmischungen derart gewählt, dass im Bereich der Grenzflächen nach dem Entfernen der Schablonen eine Vermischung der Materialmischungen erfolgt.

[0045] Selbstverständlich ist das Verwenden von Schablonen zum Unterteilen der Gießform in unterschiedliche Materialbereiche auch bei liegender Geißform möglich.

[0046] Ein zweites Herstellungsverfahren für erfindungsgemäße Hitzeschildelemente wird nun mit Bezug auf die Figuren 6a und 6b beschrieben. In diesem Verfahren wird eine Materialmischung 419 in eine Pressform 440, 450 gegeben und anschließend verpresst. Das Ergebnis ist eine Grünling 410 des Hitzeschildelementes. Dieser Grünling 410 ist in Figur 6b dargestellt. Es sind die Heißseite 413, die Kaltseite 415 sowie die nutfreien Umfangsflächen 417 des Grünlings 410 zu erkennen. Im Bereich der nutfreien Umfangsflächen 417 erfolgt ein Tränken des Grünlings 410 mit einer den Sintervorgang beeinflussenden Flüssigkeit. Die Flüssigkeit ist so gewählt, dass die getränkten Bereiche 421 nach dem Sintern einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen als der nicht getränkte Bereich 419.

[0047] Optional können auch die mit Nuten versehenen Umfangsflächen des Grünlings 410 (in Fig. 6b nicht zu erkennen) getränkt werden, um den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der entsprechenden Bereiche zu erhöhen. Das Ergebnis des mit Bezug auf die Figuren 6a und 6b beschriebenen Verfahrens ist ein Hitzeschildelement, wie es in Figur 2 dargestellt ist.

[0048] Auch beim Pressen des Hitzeschildelementes kann die Form liegend oder stehend gefüllt werden und das Einfüllen von Materialmischungen unter Verwendung von Schablonen erfolgen. Die Pressform kann dabei - wie übrigens auch die Gießform beim Gießen eines Hitzeschildelementes - unter beliebigem Winkel aufgestellt bzw. gefüllt werden.

[0049] Zwar ist mit Bezug auf die Figuren 5a und 5b beispielhaft das Herstellen eines Hitzeschildelementes, wie es in Figur 3 dargestellt ist, beschrieben, jedoch ist es auch möglich, mit demselben Verfahren Hitzeschildelemente, wie sie in den Figuren 2 oder 4 dargestellt sind, herzustellen. Gleiches gilt für das Verfahren, welches mit Bezug auf die Figuren 6a und 6b beschrieben worden ist. Auch mit diesem Verfahren ist es nicht nur möglich, ein Hitzeschildelement wie es mit Bezug auf Figur 2 beschrieben ist, herzustellen. Vielmehr ist es mit diesem Verfahren auch möglich, Hitzeschildelemente, wie sie in den Figuren 3 oder 4 dargestellt sind, herzustellen.

Ansprüche

1. Hitzeschildelement mit

- einer einem heißen Medium zuzuwendenden Heißseite (3, 13, 11, 213),

- einer dem heißen Medium abzuwendenden Kaltseite (5, 15, 115, 215),

- die Heißseite (3, 13, 113, 213) mit der Kaltseite (5, 15, 115, 215) verbindenden Umfangsflächen (7, 17,117, 217, 9) und

- einem von der Heißseite (3, 13, 113, 213), der Kaltseite (5, 15, 115, 215) und den Umfangsflächen (7, 17, 117, 217, 9) begrenzten Materialvolumen, dadurch gekenn- zeichnet , dass das Materialvolumen mindestens zwei Materialbereiche (19, 21, 119, 121, 219, 221, 223) umfasst, welche sich in ihren thermischen Ausdehnungskoeffizienten voneinander unterschieden.

2. Hitzeschildelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für relativ hohe Betriebstemperaturen vorgesehene Materialbereiche (19, 119, 219) einen relativ niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, wohingegen für relativ niedrige Betriebstemperaturen vorgesehene Materialbereiche (21, 121, 221, 223) einen relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.

3. Hitzeschildelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Materialbereich (119, 219) mit relativ niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten an die Heißseite (113, 213) angrenzt und mindestens ein Materialbereich (121, 223) mit relativ hohem thermischen Ausdehnungskoeffizienten an die Kaltseite (115, 215) angrenzt.

4. Hitzeschildelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Materialbereich (21, 221)mit relativ hohem thermischen Ausdehnungskoeffizienten an die Umfangsflächen (17, 217) angrenzt und wenigstens ein Materialbereich (19, 219)mit relativ niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von den Umfangsflächen (17, 217) aus gesehen in Inneren des Materialvolumens angeordnet ist.

5. Hitzeschildelement nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass einander benachbarte Materialbereiche mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten derart ausgestaltet sind, dass in der Zone des Übergangs von dem einen Materialbereich zum anderen Materialbereich ein fließender Übergang von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des einen Materialbereiches zu dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des anderen Materialbereiches stattfindet .

6. Hitzeschildelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Ausgestaltung als keramisches Hitzeschildelement.

7. Heisgasauskleidung, insbesondere für eine Gasturbinenbrennkammer, mit einer Anzahl von unter Dehnspaltbelassung an ihren Umfangsflächen aneinander angrenzenden Hitzeschildelementen (1) und einer Sperrfluidzufuhr zum Zuführen eines die Dehnspalte gegen den Eintritt von heißem Medium sperrenden Sperrfluidstroms in die Dehnspalte, dadurch gekennzeichnet , dass die Hitzeschildelemente (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgestaltet sind.

8. Brennkammer, insbesondere Gasturbinenbrennkammer, mit einer Heisgasauskleidung nach Anspruch 7.

9. Verfahren zum Herstellen eines keramischen Hitzeschildelementes, insbesondere eines Hitzeschildelementes nach Anspruch 6, bei dem ein Pressen oder Gießen einer Grundmaterialmischung 319, 321)und ein anschließendes Sintern der gepressten bzw. gegossenen Grundmaterialmischung (319, 321) erfolgt, dadurch gekennzeichnet , dass vor dem Sintern der gepressten bzw. gegossenen Grundmaterialmischung (319, 321) ein Einstellen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten verschiedener Materialbereiche erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Einstellen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten erfolgt, indem beim Pressen oder Gießen für die entsprechenden Materialbereiche Grundmaterialmischungen (319, 321) mit unterschiedlichen Zusammensetzungen Verwendung finden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass beim Pressen oder Gießen benachbarter Materialbereiche die Zusammensetzung der Grundmaterialmischung (319, 321) fließend von der einen zur anderen Zusammensetzung umgestellt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Einstellen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten erfolgt indem nach dem Pressen oder Gießen der Grundmaterialmischung (419) und vor dem Sintern ein Nachbehandeln mindestens eines Materialbereiches (421), welcher nach dem Sintern einen gegenüber dem Rest der Grundmaterialmischung (419) veränderten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen soll, erfolgt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachbehandeln erfolgt indem der mindestens eine nachzubehandelnde Materialbereich (421) mit einer Flüssigkeit getränkt wird.

Zeichnung