Keramische Auskleidung

Abstract

 Bei einer keramischen Auskleidung für Brennräume, bestehend aus mindestens einem Wandelement (3) aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik mit mindestens einer durchgehenden Öffnung (6) und aus einem aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik bestehenden Befestigungselement (4) pro Öffnung (6), ist das Befestigungselement (4) mit seinem Fuss in einer an der metallischen Tragwand (1) befestigten metallischen Haltevorrichtung (5) federelastisch befestigt. Der Kopf 20 des Befestigungselementes (4) ruht in der Öffnung (6) des Wandelementes (3).
Das Wandelement (3) ist kastenförmig ausgebildet, mit einem parallel zur metallischen Wand (1) verlaufenden Boden (25), mit einer Innenwand (23), welche die Öffnung (6) ringförmig umgibt und sich unmittelbar oder mittelbar auf der der metallischen Tragwand (1) abstützt und mit Aussenwandungen (24), welche sich bis zur metallischen Tragwand (1) hin erstrecken, ohne diese zu berühren.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft eine keramische Auskleidung gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Solche Auskleidungen finden insbesondere Anwendung als innere Wandisolierung von metallischen Brennkammern.

Stand der Technik

[0002] Eine keramische Auskleidung der eingangs genannten Art ist bekannt aus der DE 195 02 730 A1. Die dortige Auskleidung bezweckt eine ungekühlte lösbare Auskleidung eines Brennraumes mit keramischen Elementen, welche den hohen mechanischen und thermischen Beanspruchungen in einer kommerziellen hochbelasteten Brennkammer Stand hält.

[0003] Die Auskleidung besteht hierzu aus mindestens einer Wandplatte aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik mit mindestens einer durchgehenden Öffnung und aus einem Befestigungselement pro Öffnung. Das Befestigungselement ist mit seinem Fuss in einer an der metallischen Tragwand befestigten metallischen Haltevorrichtung befestigt. Der Kopf des Befestigungselementes ruht in der Öffnung der Wandplatte. Das Befestigungselement besteht aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik und ist federelastisch an die Haltevorrichtung angebunden. Zwischen der metallischen Wand und der keramischen Wandplatte ist eine Isolationsschicht angeordnet. Die Vorteile werden darin gesehen, dass die Auskleidung auf Grund ihrer Homogenität und des eingesetzten Materials sehr hohen mechanischen und thermischen Beanspruchungen gewachsen ist, dass die Auskleidung zerstörungsfrei demontierbar ist und daher mehrfach verwendet werden kann. Ferner können durch die 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.

[0004] Bei dieser bekannten Auskleidung wird die Dicke dieser Isolationsschicht gemäss der thermischen Belastung des Gesamtverbundes der Auskleidung gewählt. Sie ist so festzulegen, dass die maximal zulässigen Temperaturen der metallischen Tragwand nicht überschritten werden. Das Isolationsmaterial kann beispielsweise in Form von vorgefertigten Blöcken aufgebracht werden, wobei im Bereich des Befestigungsbolzens eine entsprechende Bohrung für die Montage der Auskleidung vorhanden sein muss. Da der Montageabstand zwischen zwei Wandplatten durch die thermischen Dehnungen der Wandplatten bestimmt ist, ist zumindest im Bereich unterhalb der Stossfugen zweier benachbarter Plattenelemente das Isolationsmaterial an seiner Oberfläche in geeigneter Weise verfestigt oder anderweitig geschützt, so dass bei parasitären Heissluftströmungen im Spalt ein Herausspülen der Isolationsschicht vermieden wird. Infolge von nahezu unvermeidlichen Vibrationen der Brennkammer oder durch thermische Einflüsse kann die Isolationsschicht jedoch ihre Form verändern. Dies kann zu einer Lockerung der Befestigung führen, was längerfristig den Verlust der Isolationsschicht zur Folge haben kann.

Darstellung der Erfindung

[0005] Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine keramische Auskleidung der eingangs genannten Art zu schaffen, die ohne die bisherige Isolationsschicht zwischen Metallwand und keramischem Wandelement auskommt.

[0006] Erfindungsgemäss wird dies mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 erreicht.

[0007] Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu zu sehen, dass neben der Hitzeschildfunktion bei der neuen konvektionsfreien Auskleidung der Temperaturgradient durch blosse Wärmestrahlung eingestellt wird. Der Verzicht auf instabile Isolationsmaterialien führt zu einer betriebssicheren Ausskleidung, die ausserdem mit einer geringeren Anzahl Einzelteile auskommt.

[0008] Es ist zweckmässig, wenn das Wandelement aus mehreren ineinandergeschachtelten oder übereinandergestülpten Kästen besteht. Dabei kann sich die Innenwand des äusseren Kastens auf die Innenwand des wandnahen Kastens abstützen.

[0009] Besonders günstig ist es, wenn der in der Öffnung des Wandelementes ruhende Kopf des Befestigungselementes gestuft ist und mindestens zwei zwischen Boden und metallischer Wand angeordnete Auflageflächen aufweist, wobei jeweils eine dieser Auflageflächen mit der Auflagefläche eines der ineinandergeschachtelten Kästen kooperiert. Bei einem allfälligen Bruch des äusseren, der Heissgasströmung zugekehrten Keramikteils wird mit dieser Massnahme die metallische Wand weiterhin vom innenliegenden Keramikteil geschützt, wodurch ein Notbetrieb möglich ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0010] In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.

[0011] Es zeigen:

Fig. 1

einen Teillängsschnitt der Auskleidung für eine Gasturbinen-Brennkammer;

Fig. 2

eine Draufsicht auf die Auskleidung bei Verwendung hexagonaler keramischer Wandelemente;

Fig. 3

eine erste Ausführungsvariante der Auskleidung mit mehreren Kammern;

Fig. 4

eine Ausführungsvariante des Befestigungsbolzens.

[0012] Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0013] Fig. 1 zeigt einen Teillängsschnitt der erfindungsgemässen Auskleidung für eine Gasturbinen-Brennkammer. Auf der metallischen Tragwand 1 der Brennkammer sind keramische Wandelemente 3 nebeneinander angeordnet. Sie bestehehn aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik, beispielsweise SiC oder Si₃N₄,. Diese Wandelemente 3 sind mit Hilfe von Befestigungselementen 4, welche jeweils in einer metallischen Haltevorrichtung 5, die später im Detail beschrieben wird, angeordnet sind, an der metallischen Tragwand 1 befestigt. Diese Befestigungselemente 4 bestehen ebenfalls wie die Wandelemente 3 aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik.

[0014] Die äussere Form und die Abmessungen der Wandelemente 3 können problemlos an die Geometrie des auszukleidenden Raumes angepasst werden und sind in keiner Weise vorbestimmt. Fig. 2 zeigt in der Draufsicht eine mögliche Form der Wandelemente 3. Sie haben in dieser Ausführungsvariante eine sechseckige Aussenkontur. Aus Gründen einer einfachen Herstellung und einer gleichmässigen Spannungsverteilung bei thermischer und mechanischer Beanspruchung sind symmetrische Formen zu bevorzugen. Die Dicke d der Wandelemente 3 ergibt sich einerseits aus der geforderten mechanischen Stabilität und andererseits aus einer Minimierung der thermischen Spannungen auf Grund von Temperaturgradienten im Bauteil. Im einfachsten Fall kann auch eine quadratische Kontur zur Anwendung gelangen, um ebene oder nur leicht gekrümmte Brennräume auszukleiden. Ebenso sind auch Wandelemente 3 mit einer rechteckigen, dreieckigen oder beliebig vieleckigen Aussenkontur einsetzbar. Massgebend ist u.a. dass die Elemente -sei es einzeln oder im Verbund - verdrehsicher angeordnet sind.

[0015] Gemäss der Erfindung ist ein Wandelement 3 kastenförmig ausgebildet. Wie in Fig. 1 gezeigt, besteht es im wesentlichen aus einem parallel zur metallischen Wand 1 verlaufenden Boden 25, dessen Aussenseite gegen den heissen Brennraum gerichtet ist. Im Zentrum des Bodens 25 ist eine durchgehende Öffnung 6 zur Aufnahme eines Befestigungselementes 4, welches hier ein Bolzen ist, der aus Kopf, Schaft und Fuss besteht, angeordnet. Selbstverständlich können in anderen, hier nicht gezeigten Ausführungsbeispielen auch mehrere Öffnungen 6 in jedem Wandelement 3 vorhanden sein. Die senkrecht zur metallischen Wand verlaufenden Innenwand 23 des Kastens, welche die Öffnung 6 ringförmig umgibt, stützt sich auf der metallischen Tragwand ab. Die ebenfalls senkrecht zur metallischen Wand verlaufenden Aussenwandungen 24 erstrecken sich vom Boden des Kastens hin bis zur metallischen Tragwand 1 hin, ohne diese jedoch zu berühren. Durch die neue Form des Wandelementes 3 wird eine konvektionsfreie Kammer geschaffen, in welcher der Wärmeaustausch im wesentlichen durch Strahlung erfolgt. Benachbarte Kammern werden mit kleinen Spalt 28 zwischen ihren Aussenwandungen 24 montiert. Dieser Spalt kompensiert Fertigungs- und Montageungenauigkeiten sowie betriebsbedingte Wärmedehnungen. Zudem dient er als Drossel für Gasströmungen.

[0016] Die Kontaktfläche zwischen dem in der Öffnung 6 angeordnetem Kopf 20 des Befestigungselementes 4 und des Wandelementes 3 ist in optimaler Weise ausgeführt, um auch bei geringen Winkellagen des Bolzens eine eindeutige Berührung sicherzustellen. Hierzu ist der Kopf 20 mit einer spärischen Auflagefläche versehen, die mit ihrer Rundung 21 auf einer im Querschnitt geraden Auflagefläche 22 anliegt. Dieser gerade Abschnitt ist die im Bereich der Öffnung 6 abgeschrägte Verbindung zwischen dem Boden 25 und der Innenwand 23 des Wandelementes. Dadurch wird einerseits die Kontaktfläche zwischen dem Befestigungselement 4 und dem Wandelement 3 vergrössert, andererseits werden die Wärmeflüsse bei stationären und instationären Beanspruchungsgefällen so beeinflusst, dass nur minimale thermische Spannungen entstehen. Die geometrische Gestaltung dieser Zone resultiert aus einer Abstimmung zwischen den Wärmespeicher- und Wärmeleitungseigenschaffen der verwendeten Materialien. Mit dieser Massnahme lässt sich auch der Bereich, in dem Linienkontakt auftritt, leicht bestimmen, da in der Regel die zu erwartenden Toleranzen bekannt sind. Die Hertz'sche Pressung bei den gegeneinander gepressten Flächen - hier konvexe Fläche gegen ebene Fläche - ist deutlich geringer als bei den bekannten Kugel/Kugel-Sitzen und lässt sich leicht analytisch bestimmen. Dennoch wird auch hier eine gute Dichtwirkung erzielt, sofern diese überhaupt gewünscht ist. Diese Abdichtung gegen die Kühlluft erfolgt zum einen durch den beschriebenen Sitz zwischen Bolzen und und dem inneren Keramikkörper des Wandelementes, anderseits durch die Auflagefläche der Innenwand 23 des Kastens auf der metallischen Tragwand und der Anordnung des Befestigungselementes auf der kühlluftseitigen Metallwand.

[0017] Für dieses keramische Befestigungselement 4 ist eine dehnungstolerante elastische Einspannung auf der Aussenseite der metallischen Tragwand 1 vorgesehen. Gemäss Fig. 1 besteht die metallische Haltevorrichtung 5 aus einer längsgeteilten Gewindehülse 7, welche den Fuss des Befestigungselementes umfasst. Auf dem Aussengewinde der Gewindehülse 7 ist eine Gewindemutter 9 angeordnet, über welche, wie weiter unten erklärt wird, die Einspannkraft eingestellt werden kann. Gleichzeitig hält die Mutter 9 die beiden Hälften der Gewindehülse 7 zusammen. Die gegenseitige Positionierung der beiden Gewindehülsehälften kann durch zusätzliche Konstruktionselemente, z.B. die Bolzen, sichergestellt werden. Ein Vierkant 10 dient dazu, die geteilte Hülse beim Anziehen der Gewindemutter 9 zu halten. Die Positionen 7 und 10 sind ein Teil der geteilten Hülse.

[0018] Weiterhin besteht die metallische Haltevorrichtung 5 aus einem in die metallische Tragwand 1 eingelassenen Führungsring 11, einer einteiligen Führungshülse 12 für das Befestigungselement 4 und aus zwischen der Führungshülse 12 und dem Führungsring 11 angeordneten Federelementen 13. Die Feder 13 ist beispielsweise, wie in Fig. 1 dargestellt, eine Tellerfeder. Durch die federelastische Anbindung der keramischen Struktur an die metallische Haltevorrichtung wird erreicht, dass thermische Relativdehnungen zwischen den metallischen und keramischen Komponenten aufgenommen werden, ohne dass an den Kontaktflächen unzulässig hohe Spannungen im keramischen Bauteil induziert werden. Über einen bestimmten Federweg der Einspannung (über die auf dem Aussengewinde der Hülse 7 aufgeschraubte Gewindemutter 9 einstellbar) werden nahezu konstante Einspannungskräfte gewährleistet.

[0019] In Fig. 3 ist eine strahlungsgekühlte 2-lagige Brennkammer-Auskleidung dargestellt, bei der das Wandelement (3) aus zwei übereinandergestülpten Kästen 26a, 26b besteht. Die Innenwand 23a des äusseren Kastens 26a stützt sich auf die Innenwand 23b des wandnahen Kastens 26b ab. Die Aussenwände der beiden Kästen 26a, 26b verlaufen parallel zueinander und schliessen einen Dichtspalt 27 zwischen sich ein.

[0020] Damit wird ein Hitzeschild gegen die Brennkammerinnenseite gebildet durch reine Strahlungskühlung zur Brennkammeraussensseite. Die Kästen bilden konvektionsfreie Kammern, in denen die Wärmeübertragung nur durch Strahlung erfolgt. Auf instabiles Isolationsmaterial und separate Kühlluft kann verzichtet werden.

[0021] In Fig. 4 ist ebenfalls eine 2-lagige Brennkammer-Auskleidung dargestellt, bei der das Wandelement 3 aus zwei übereinandergestülpten Kästen 26a, 26b besteht und sich die Innenwand 23a des äusseren Kastens 26a auf die Innenwand 23b des wandnahen Kastens 26b abstützt. Die Aussenwandungen 24a resp. 24b der beiden Kästen erstrecken sich in einer gleichen Ebene. Bei dieser Lösung verlaufen die Innenwände nur grob senkrecht zur Metallwand; sie sind in ihrem Verlauf der Form des Kopfes 20 des Befestigungselementes angepasst. Dieser Kopf weist zwei Stufen auf, wobei jede Stufe mit einer eigenen sphärischen Auflagefläche 21 versehen ist. Dementsprechend weisen auch die übereinandergestülpten Kästen je eine gerade Auflagefläche an ihren Innenwandungen auf. Eine solche redundante Ausführung eignet sich besonders für den Notbetrieb. Würde beispielsweise die radial äussere Stufe infolge Beschädigung des Kastens 26a versagen, so kann immer noch der innere Kasten seine Hitzeschildfunktion ausüben.

[0022] Der berührungsfreien Ausbildung der Aussenwandungen 24 gegen die metallische Tragwand 1, den Dichtspalten 27 sowie den kleinen Spalten 28 zwischen benachbarten Kammern liegen folgende Überlegungen zugrunde. Es gilt, den gegenseitigen Kontakt zwischen Bauteilen zu verhindern und gleichzeitig Drosseln für eventuelle Gasströmungen zu bilden. Hierzu wird die Grössenordnung der diversen Spalte einerseits bedingt durch Ferigungstoleranzen und anderersseits durch die im Betrieb auftretenden Wärmedehnungen. Um die Drosselwirkung zu gewährleisten, wird man die Spalte kleiner als 0.5 mm ausführen.

[0023] Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die gezeigte und beschriebene Ausführung beschränkt. In Abweichung zur berührungsfreien Anordnung der Aussenwandungen 24 des Wandelementes gegen die zu kühlende metallische Wand könnte auch eine dichtende Verbindung in Betracht gezogen werden. Diese Lösung mit dann allseits geschlossenen Kästen wird man dann anwenden, wenn beispielsweise der Kasten evakuiert werden sollte.

Bezugszeichenliste

[0024] 

1

metallische Tragwand

3

keramisches Wandelement

4

Befestigungselement

5

Haltevorrichtung

6

Öffnung

7

Gewindehülse

8

Einwölbung

9

Gewindemutter

10

Vierkant

11

Führungsring

12

Führungshülse

13

Feder

20

Kopf des Befestigungselementes 4

21

Auflagefläche des Kopfes 20

22

Auflagefläche des Wandelementes

23, 23a, 23b

Innenwand des Wandelementes

24, 24a, 24b

Aussenwand des Wandelementes

25

Boden des Wandelementes

26, 26a, 26b

Kasten

27

Dichtspalt

28

Spalt zwischen 24

d

Dicke des Wandelementes 6

Ansprüche

1. Keramische Auskleidung für Brennräume, bestehend aus mindestens einem Wandelement (3) aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik mit mindestens einer durchgehenden Öffnung (6) und aus einem aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik bestehenden Befestigungselement (4) je Öffnung (6), wobei das Befestigungselement (4) mit seinem Fuss in einer an der metallischen Tragwand (1) befestigten Haltevorrichtung (5) federelastisch angeordnet ist und der Kopf (20) des Befestigungselementes (4) in der Öffnung (6) des Wandelementes (3) ruht,
dadurch gekennzeichnet, dass das Wandelement (3) kastenförmig ausgebildet ist,

- mit einem parallel zur metallischen Wand (1) verlaufenden Boden (25), dessen Aussenseite gegen den Brennraum gerichtet ist,

- mit einer zumindest annähernd senkrecht zur metallischen Wand (1) verlaufenden Innenwand (23), welche die Öffnung (6) ringförmig umgibt und sich unmittelbar oder mittelbar auf der der metallischen Tragwand (1) abstützt,

- und mit zumindest annähernd senkrecht zur metallischen Wand (1) verlaufenden Aussenwandungen (24), welche sich bis zur metallischen Tragwand (1) hin erstrecken., ohne diese zu berühren.

2. Keramische Auskleidung nach Anspruch 1,.dass die freien Stirnseiten der Aussenwandungen (24) die Tragwand (1) nicht berühren und mit ihr einen Spalt (28) einschliessen.

3. Keramische Auskleidung nach Anspruch 1,.dass das Wandelement (3) aus mehreren ineinandergeschachtelten oder übereinandergestülpten Kästen (26a,26b) besteht, wobei sich die Innenwand (23a) des äusseren Kastens (26a) auf die Innenwand (23b) des wandnahen Kastens (26b) abstützt.

4. Keramische Auskleidung nach Anspruch 3,.dass die Aussenwände der Kästen (26a, 26b) parallel zueinander verlaufen und einen Dichtspalt (27) zwischen sich einschliessen.

5. Keramische Auskleidung nach Anspruch 3,.dass der in der Öffnung (6) des Wandelementes (3) ruhende Kopf (20) des Befestigungselementes (4) gestuft ist und mindestens zwei zwischen Boden und metallischer Wand angeordnete Auflageflächen (21) aufweist, wobei jeweils eine dieser Auflageflächen mit der Auflagefläche (22) eines der ineinandergeschachtelten Kästen (26a, 26b) kooperiert.

Zeichnung