DE10046094C2 - Hitzeschildstein zur Auskleidung einer Brennkammerwand - Google Patents
Hitzeschildstein zur Auskleidung einer BrennkammerwandInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Hitzeschildstein, insbesondere
zur Auskleidung einer Brennkammerwand, mit einer einem heißen
Medium aussetzbaren Heißseite, einer der Heißseite gegenüber
liegenden Wandseite und einer an die Heißseite und die Wand
seite angrenzenden Umfangsseite. Die Erfindung betrifft wei
terhin eine Brennkammer mit einer Brennkammerwand sowie eine
Gasturbine mit einer Brennkammer.
Es sind Brennräume, wie beispielsweise ein Brennofen, ein
Heißgaskanal oder eine Brennkammer einer Gasturbine bekannt,
in denen ein heißes Medium erzeugt und/oder geführt wird. Ein
thermisch und/oder thermomechanisch hochbelasteter Brennraum
ist zum Schutz vor zu hoher thermischer Beanspruchung mit ei
ner entsprechenden Auskleidung versehen. Die Auskleidung des
Brennraums besteht üblicherweise aus hitzeresistentem Mate
rial und schützt eine Wandung des Brennraumes vor dem direk
ten Kontakt mit dem heißen Medium, beispielsweise ein heißes
Verbrennungsgas, und der damit verbundenen starken thermi
schen Belastung. Überdies können die Verbrennungsgase auch
oxidative und/oder korrosive Bestandteile aufweisen, die die
Brennkammerwand bei direkter Beaufschlagung nachhaltig beein
trächtigen können. Es besteht daher ein erhebliches Interesse
an der Weiterentwicklung und Verbesserung der Auskleidung ei
nes Brennraumes.
Aus der US-PS 4,840,131 geht eine Befestigung von keramischen
Auskleidungselementen an einer Wand eines Ofens hervor. Hier
bei ist ein Schienensystem, welches an der Wand befestigt ist
und eine Mehrzahl von keramischen Schienenelementen aufweist,
vorgesehen. Die Auskleidungselemente können durch das Schie
nensystem an der Wand gehaltert werden. Zwischen einem Aus
kleidungselement und der Wand des Ofens können weitere keramische
Schichten vorgesehen sein, unter anderem eine Schicht
aus losen, teilweise komprimierten Keramikfasern, wobei diese
Schicht zumindest die selbe Dicke wie die keramischen Aus
kleidungselemente oder eine größere Dicke aufweist. Die Aus
kleidungselemente weisen hierbei eine rechteckige Geometrie
mit planarer Oberfläche auf. Die Auskleidungselemente beste
hen aus einem wärmeisolierenden feuerfesten keramischen Fa
sermaterial.
Das Aufbringen einer feuerfesten Auskleidung auf eine Wand
eines Ofens wird ebenfalls in der US-PS 4,835,831 behandelt.
Die feuerfeste Auskleidung ist dabei insbesondere an einer
vertikalen Wand angeordnet. Auf die metallische Wand des
Ofens wird eine aus Glas-, Keramik- oder Mineralfasern beste
hende Schicht aufgebracht. Diese Schicht wird durch metalli
sche Klammern oder durch Kleber an der Wand befestigt. Auf
diese Schicht wird ein Drahtmaschennetz mit wabenförmigen Ma
schen aufgebracht. Das Maschennetz dient ebenfalls der Siche
rung der Schicht aus Keramikfasern gegen ein Herabfallen. Auf
die so befestigte Schicht wird mittels eines geeigneten
Sprühverfahrens eine gleichmäßige geschlossene Oberfläche aus
feuerfestem Material aufgebracht. Mit dem beschriebenen Ver
fahren wird weitgehend vermieden, dass während des Aufsprü
hens auftreffende feuerfeste Partikel zurückgeworfen werden,
wie dies bei einem direkten Aufsprühen der feuerfesten Parti
kel auf die metallische Wand der Fall wäre.
Eine andere Art der Auskleidung eines thermisch hoch belaste
ten Brennraums ist in der EP 0 419 487 B1 angegeben. Die Aus
kleidung besteht aus Hitzeschildelementen, die mechanisch an
einer metallischen Wandung des Brennraumes gehaltert sind.
Die Hitzeschildelemente berühren die metallische Wandung di
rekt. Um eine zu starke Erwärmung der Wandung zu vermeiden,
z. B. infolge direkten Wärmeübergangs vom Hitzeschildelement
oder durch Eindringen von heißem Medium in die durch die von
aneinander grenzenden Hitzeschildelementen gebildeten Spalte,
wird der von der Wandung des Brennraums und dem Hitzeschildelement
gebildete Raum mit Kühlluft, der sogenannten Sperr
luft, beaufschlagt. Die Sperrluft verhindert das Vordringen
von heißem Medium bis zur Wandung und kühlt gleichzeitig die
Wandung und das Hitzeschildelement.
Aus der EP 0 724 116 A2 ist eine keramische Auskleidung für
Wandungen von thermisch hoch beanspruchten Brennräumen, bei
spielsweise von Gasturbinenbrennkammern, bekannt. Die Aus
kleidung besteht aus Wandelementen aus hochtemperaturbestän
diger Strukturkeramik, z. B. Siliciumcarbit (SiC) oder Silici
umnitrid (Si3N4). Die Wandelemente sind mechanisch mittels
eines zentralen Befestigungsbolzens federelastisch an einer
metallischen Tragstruktur (Wandung) der Brennkammer befes
tigt. Zwischen dem Wandelement und der Wandung des Brennraums
ist eine dicke thermische Isolationsschicht vorgesehen, so
dass das Wandelement von der Wandung der Brennkammer entspre
chend beabstandet ist. Die im Verhältnis zum Wandelement etwa
dreimal so dicke Isolationsschicht besteht aus keramischem
Fasermaterial, welches in Blöcken vorgefertigt ist. Die Ab
messungen und die äußere Form der Wandelemente sind an die
Geometrie des auszukleidenden Raumes anpassbar.
Ein Wandsegment für einen Brennraum sowie einen Brennraum ei
ner Gasturbine ist in der WO 99/47874 beschrieben. Hierbei
wird ein Wandsegment für einen Brennraum, welcher mit einem
heißen Fluid beaufschlagbar ist, mit einer metallischen Trag
struktur und einem auf der metallischen Tragstruktur befes
tigten Hitzeschutzelement angegeben. Zwischen die metallische
Tragstruktur und das Hitzeschutzelement wird eine verformbare
Trennlage eingefügt, die mögliche Relativbewegungen des Hit
zeschutzelementes und der Tragstruktur aufnehmen und ausglei
chen soll. Solche Relativbewegungen können beispielsweise in
der Brennkammer einer Gasturbine, insbesondere einer Ring
brennkammer, durch unterschiedliches Wärmedehnverhalten der
verwendeten Materialien oder durch Pulsationen im Brennraum,
die bei einer unregelmäßigen Verbrennung zur Erzeugung des
heißen Arbeitsmediums oder durch Resonanzeffekte entstehen
können, hervorgerufen werden. Zugleich bewirkt die Trennlage,
dass das relativ unelastische Hitzeschutzelement insgesamt
flächiger auf der Trennschicht und der metallischen Trag
struktur aufliegt, da das Hitzeschutzelement zumindest teil
weise in die Trennschicht eindringt. Die Trennschicht kann so
auch fertigungsbedingte Unebenheiten an der Tragstruktur
und/oder dem Hitzeschutzelement, die lokal zu einem ungünsti
gen punktuellen Krafteintrag führen können, ausgleichen.
Die Erfindung geht von der Beobachtung aus, dass, insbeson
dere keramische, Hitzeschildsteine aufgrund ihrer notwendigen
Flexibilität hinsichtlich thermischer Ausdehnungen häufig nur
unzureichend gegenüber mechanischen Belastungen, wie bei
spielsweise Stöße oder Vibrationen, gesichert sind. Der Er
findung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, einen
verbesserten Hitzeschildstein anzugeben, welcher insbesondere
gegenüber den oben genannten Anforderungen eine höhere Be
triebssicherheit gewährleistet. Eine weitere Aufgabe der Er
findung ist die Angabe einer Brennkammer mit einer inneren
Brennkammerauskleidung sowie die Angabe einer Gasturbine mit
einer Brennkammer.
Die auf einen Hitzeschildstein gerichtete Aufgabe wird erfin
dungsgemäß gelöst durch einen Hitzeschildstein, insbesondere
zur Auskleidung einer Brennkammerwand, mit einer einem heißen
Medium aussetzbaren Heißseite, einer der Heißseite gegenüber
liegenden Wandseite und einer an die Heißseite und die Wand
seite angrenzenden Umfangsseite, wobei an der Umfangsseite
ein Dämpfungselement angebracht ist.
Mit der Erfindung wird ein völlig neuer Weg aufgezeigt, Hit
zeschildsteine gegenüber hohen Beschleunigungen infolge von
Stößen oder Vibrationen dauerhaft zu sichern. Die Erfindung
geht dabei bereits von der Erkenntnis aus, dass Brennkammer
steine, wie sie üblicherweise zur Auskleidung einer Brennkam
merwand verwendet werden, durch stationäre und/oder tran
siente Schwingungen in der Brennkammerwand zu entsprechenden
Schwingungen angeregt werden. Dabei können, insbesondere in
einem Resonanzfall, hohe Beschleunigungen oberhalb einer
Grenzbeschleunigung auftreten, wobei die Hitzeschildsteine
von der Brennkammerwand abheben und in der Folge wieder auf
schlagen. Ein solcher Aufschlag auf die massive Brennkammer
wand führt zu sehr hohen Kräften auf die Hitzeschildsteine
und kann zu großen Beschädigungen an diesen führen. Dies
führt zu einer erheblichen Reduzierung der Dauerhaltbarkeit
eines Hitzeschildsteins. Im schlimmsten Fall kann bei einem
solchen Aufschlag der Hitzeschildstein zu Bruch gehen, wobei
unmittelbar die Gefahr besteht, dass die Bruchstücke sich von
einander lösen und in den Brennraum gelangen. Kleinere oder
auch größere Bruchstücke im Brennraum können in der Folge
Komponenten im Brennraum erheblich beschädigen. Insbesondere
beim Einsatz eines Hitzeschildsteins in einer Gasturbine kann
dadurch die einer Brennkammer, beispielsweise einer Ring
brennkammer einer Gasturbine, nachgeschaltete Turbine erheb
lich beschädigt werden.
Mit der Erfindung wird die Gefahr eines Herauslösens von
Bruchstücken aus einem Hitzeschildstein, insbesondere aus ei
nem keramischem Material, deutlich herabgesetzt. Das vorge
schlagene Dämpfungselement, welches an der Umfangsseite des
Hitzeschildsteins angebracht ist, erfüllt dabei zwei Funktio
nen. Einerseits dämpft das Dämpfungselement mögliche Stoßbe
lastungen, wie sie infolge des Einsatzes des Hitzeschild
steins in einer Brennkammer auftreten können. Durch das An
bringen des Dämpfungselements an der Umfangsseite werden
hierbei insbesondere Stöße oder ein sonstiger lokaler Kraft
eintrag auf die Umfangsseite wirkungsvoll gedämpft. Bei der
Auskleidung eines Brennraumes mit einer Vielzahl von flächen
deckend nebeneinander angeordneten Hitzeschildsteinen können
Relativbewegungen der Hitzeschildsteine zueinander zu derar
tigen Stößen auf die Umfangsseite führen. Somit wird durch
das Dämpfungselement bereits die Bruchgefahr vorbeugend redu
ziert und die Betriebssicherheit hierdurch erhöht.
Neben dieser Aufgabe erfüllt das Dämpfungselement gemäß dem
Konzept der Erfindung aber die zusätzliche Aufgabe einer Ver
hinderung von bruchstückinduzierten Schädigungen beim Einsatz
des Hitzeschildsteins in einer Brennkammer. Sollte es nämlich
infolge einer erheblichen Stoßbelastung zu einem Anriss oder
Materialdurchriss des Brennkammerstein kommen, erfüllt das
Dämpfungselement zugleich die Aufgabe eines Sicherungsele
ments für den Brennkammerstein. In dieser Funktion sichert
das Dämpfungselement einen möglicherweise brüchigen oder be
reits gebrochenen Hitzeschildstein gegenüber einem Herauslö
sen eines oder mehrerer Bruchstücke aus dem Brennkammerstein.
Somit wird mit der Erfindung die passive Sicherheit des Hit
zeschildsteins in einem möglichen Stoßbruchfall erstmals be
rücksichtigt.
Durch das vorgeschlagene Dämpfungs- und Sicherungselement
kann ein längerer Einsatz des Hitzeschildsteins gewährleistet
werden. Mit dem Dämpfungselement verfügt der Hitzeschildstein
im Fall besonderer Vorkommnisse über Notlaufeigenschaften, so
dass Folgeschäden, etwa für die Beschaufelung einer Turbine,
vermieden werden können. Dies ist von besonders großem Vor
teil beim Einsatz des Hitzeschildsteins in einer Brennkammer,
weil selbst nach einem Bruch die Hitzeschildfunktion des Hit
zeschildsteins weiterhin gewährleistet ist, insbesondere
keine Bruchstücke in dem Brennraum gelangen können. Wirt
schaftlich ergibt sich hieraus zusätzlich der Vorteil, dass
im Normalfall keine außerordentliche Wartung und/oder Revi
sion einer den Hitzeschildstein aufweisenden Brennkammer er
forderlich ist. Die Brennkammer mit einem derartigen Hitze
schildstein kann zumindest mit den üblichen Wartungszyklen
betrieben werden, wobei aber zudem eine Verlängerung der
Standzeiten aufgrund der erhöhten passiven Sicherheit erziel
bar ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Dämpfungselement
flächig angebracht. Dadurch ist die Umfangsseite mit dem
Dämpfungselement in einer flächigen Verbindung. Dieser flächige
Verbund zwischen dem Dämpfungs- und Sicherungselement
gewährleistet eine große Sicherheit gegenüber einem Herauslö
sen möglicher Bruchstücke des Hitzeschildsteins nach einem
Stoßbruch oder in sonstiger Weise hervorgerufenen Materialan
risses oder Materialdurchrisses. Durch das flächige Anbringen
des Dämpfungselements ist eine zumindest bereichsweise flä
chendeckende Sicherung des Hitzschildsteins an der Umfangs
seite erreicht. Materialdurchrisse, die von der Heißseite bis
zu der Wandseite sich erstreckenden und den Hitzeschildstein
in zumindest zwei Bruchstücke teilen, und sich im ungünstigs
ten Falle bis zur Umfangsseite fortsetzen, werden durch das
Dämpfungselement an der Umfangsseite überbrückt. Durch diese
Rissüberbrückung ist ein Lösen der Bruchstücke voneinander
praktisch unmöglich, oder zumindest sehr erschwert. Das
Dämpfungs- und Sicherungselement sorgt dafür, dass mögliche
Bruchstücke im Wesentlichen zusammengehalten werden, so dass
der Hitzeschildstein seine Funktion weiterhin erfüllen kann.
Durch Anordnung und Ausgestaltung des Dämpfungselements an
der Umfangsseite können hierbei gezielt diejenigen Bereiche
gesichert werden, wo ein Anriss oder ein Materialdurchriss zu
erwarten ist. Durch das flächige Anbringen sind entsprechend
große Bereiche der Umfangsseite gesichert, wodurch mögliche
Materialanrisse oder Durchrisse überbrückt sind und dadurch
der Weiterbetrieb, etwa beim Einsatz des Hitzeschildsteins in
einer Gasturbinenbrennkammer, nicht akut gefährdet ist.
Vorzugsweise ist das Dämpfungselement als Gewebe, insbeson
dere als Gewebematte, ausgestaltet. Dabei kommen Gewebe, oder
auch Gewebematten zum Einsatz, die ausreichend hohe Dämp
fungseigenschaften (Dämpfungskonstante) sowie eine Tempera
turfestigkeit gegenüber den hohen Temperaturen, wie sie bei
spielsweise bei einem Einsatz in einer Brennkammer zu erwar
ten sind, aufweisen. Die Verwendung einer Gewebematte hat
außerdem den Vorteil, dass sie auf eine gewünschte Größe
zuschneidbar und gut an den Hitzeschildstein an der Umfangs
seite anbringbar ist. Da die Gewebematte beispielsweise durch
flächiges Anbringen in engem Kontakt mit dem Hitzeschildstein
ist, sollte das Material der Gewebematte so gewählt werden,
dass unerwünschte chemische Reaktionen zwischen den Materia
lien von Matte und Hitzeschildstein ausgeschlossen sind. Das
Dämpfungs- und Sicherungselement kann auch in Form eines Ge
wirkes, eines Geflechts oder eines Schwammes ausgestaltet
sein. Wo dies sinnvoll ist, kann das Dämpfungselement auch
bereichsweise aus diesen strukturell verschiedenen Erschei
nungsformen zusammengesetzt sein.
Vorteilhafterweise ist durch die Ausgestaltung des Dämpfungs-
und Sicherungselements als Gewebe, insbesondere als Gewebe
matte, ein flächiges Anbringen an der Umfangsseite erleich
tert und eine gute Anpassung an die Geometrie des Hitze
schildsteins möglich. Ein besonderer Vorteil ergibt sich aus
der Gewebestruktur, weil hierdurch eine hervorragende Siche
rungs- und Stützfunktion für eine Rissüberbrückung erzielt
ist.
Vorzugsweise besteht das Dämpfungselement aus einem kerami
schen Material, insbesondere aus einem keramischen Fasermate
rial. Keramisches Material ist hochtemperaturfest sowie oxi
dations- oder korrosionsbeständig und eignet sich daher her
vorragend für den Einsatz in einer Brennkammer. Gewebematten
aus einem keramischen Material, insbesondere einem kerami
schen Fasermaterial, sind überdies kommerziell erhältlich.
Eine keramische Matte, insbesondere eine keramische Gewebe
matte, besteht hierbei beispielsweise aus keramischen Fasern,
welche für den Einsatz von bis zu 1200°C geeignet sind. Die
chemische Zusammensetzung dieser Fasern ist beispielsweise 62 Gew.-%
Al2O3, 24 Gew.-% SiO2 und 14 Gew.-% B2O3. Die Fasern
sind dabei aus einer Vielzahl einzelner Filamente zusammenge
setzt, wobei die Filamente einen Durchmesser von etwa 10 bis
12 µm aufweisen. Die maximale Kristallitgröße beträgt typi
scherweise etwa 500 nm. Aus dem keramischen Fasermaterial
lassen sich auf einfache Weise Gewebe, Gewirke oder Geflechte
der gewünschten Größe und Dicke herstellen. Auch sind mehrere
Lagen von keramischen Dämpfungsmatten als Dämpfungs- und Si
cherungselement für den Hitzeschildstein herstellbar. Mehrere
Lagen können hierbei miteinander zu einem Dämpfungselement
vernäht oder vernadelt sein. Die hohe Zerreißfestigkeit und
die Temperaturfestigkeit derartiger keramischer Gewebematten
gewährleisten eine hohe Betriebssicherheit und Notlaufeigen
schaften des Hitzeschildsteins.
Weiter bevorzugt ist das Dämpfungselement durch Verklebung,
insbesondere mittels eines Klebers auf Silikatbasis, ange
bracht. Das Dämpfungselement kann aber auch durch Verklammern
oder Verschrauben an die Umfangsseite angebracht sein. Das
Dämpfungselement kann auch zumindest teilweise in das Grund
material des Hitzeschildsteins eingebracht, z. B. eingegossen
oder eingepresst sein. Beim Verkleben der Dämpfungseinlage
mit dem Grundmaterial kann sowohl ein konventioneller Kleb
stoff als auch ein hochtemperaturfester Kleber verwendet wer
den. Auch können, wie oben erwähnt, Kleber auf Silicatbasis
zum Einsatz kommen, die hervorragende Klebeeigenschaften und
eine große Temperaturbeständigkeit aufweisen, was insbeson
dere beim Einsatz in einer Gasturbinenbrennkammer vorteilhaft
ist.
Als weiterer Vorteil erweist sich bei der Verbindung die Ver
wendung einer keramischen oder auch metallischen Matte, ins
besondere einer keramischen Gewebematte, weil diese aufgrund
ihrer Gewebestruktur eine gewisse Luftdurchlässigkeit auf
weist (Porosität), was ein sicheres Verbinden des Dämpfungs-
und Sicherungselements mit dem Grundmaterial des Hitzeschild
steins befördert. Das Grundmaterial des Hitzeschildstein ist
dabei beispielsweise ein keramisches Material, insbesondere
eine Feuerfestkeramik.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung weist die Umfangs
seite eine Stirnseite und eine gegenüber der Stirnseite ge
neigte Befestigungsseite auf, wobei das Dämpfungselement an
der Stirnseite vorgesehen ist. Aufgrund der unterschiedlichen
geometrischen Erscheinungsformen und Einsatzfälle, die beim
Einsatz eines Hitzeschildsteins in einem Brennraum, bei
spielsweise einer Gasturbinenbrennkammer, vorliegen können,
ist es vorteilhaft verschiedene Bereiche der Umfangsseite,
nämlich eine Stirnseite und eine Befestigungsseite vorzuse
hen. Durch die Neigung der Stirnseite gegenüber der Befesti
gungsseite um einen von der Geometrie des Hitzeschildsteins
abhängigen Neigungswinkel, sind die Stirnseite und die Befes
tigungsseite im Allgemeinen unterschiedliche Bereiche der Um
fangsseite. Daher ist das Dämpfungselement vorzugsweise an
der Stirnseite vorgesehen. Das Dämpfungselement kann aber
auch, je nach Erfordernis und Belastungsfall, zumindest teil
weise an der Befestigungsseite angebracht sein. Dies ist in
solchen Fällen möglich, wo eine ungehinderte Befestigung des
Hitzeschildsteins einem Anbringen des Dämpfungselements auch
an der Befestigungsseite nicht im Wege steht. Vorteilhafter
weise ist belastungsfallabhängig und einbaugeometrieabhängig
das Anbringen des Dämpfungselements an der Stirnseite und
wahlweise zusätzlich an der Befestigungsseite möglich.
Beispielsweise kann hierbei ein Hitzeschildstein von quader
förmiger Geometrie sein, insbesondere auch mit quadratischer
Grundfläche, wobei die Umfangsseite des Quaders aufgrund der
Geometrie in vier Teilseiten unterteilbar ist. Zwei gegen
überliegende Teilseiten bilden dann die Stirnseiten des Qua
ders, und die um 90 Grad geneigten, daran angrenzenden Seiten
des Quaders etwa die Befestigungsseiten. Es ist demzufolge
auch möglich, mehrere Stirnseiten oder mehrere Befestigungs
seiten bei einem Hitzeschildstein vorzusehen. Im Allgemeinen
sind prismatische Hitzeschildsteine mit einer vieleckigen
Grundfläche möglich. Darüber hinaus sind auch gekrümmte Flä
chen, etwa bei der Heißseite oder der Wandseite denkbar. Da
bei sind vorzugsweise an der Umfangsseite des Hitzeschild
steins auch mehrere Dämpfungselemente angebracht.
Bevorzugt weist die Befestigungsseite eine Nut, insbesondere
zur Aufnahme eines Befestigungselements, auf. Beim Einsatz
des Hitzeschildsteins in einer Brennkammer, beispielsweise
einer Gasturbinenbrennkammer, ist es erforderlich den Hitze
schildstein an der Brennkammerwand in geeigneter Weise zu be
festigen. Eine Nut im Brennkammerstein, die man auch als Hit
zeschildsteinnut bezeichnen kann, erfüllt diese Aufgabe. Mit
tels eines Befestigungselements, beispielsweise einer Klam
mer, einem Haken oder einen Bolzen, kann der Hitzeschildstein
an einer Wand im Brennraum befestigt werden. Dabei greift das
Befestigungselement in die Nut ein. Die Befestigung des Hit
zeschildsteins erfolgt hierbei vorteilhafterweise lösbar, wo
bei auch eine federelastische Halterung des Hitzeschildsteins
möglich ist. Dies wirkt sich günstig auf die Dämpfungseigen
schaften des Hitzeschildsteins aus und beugt der Gefahr eines
Stoßbruchs vor.
Die auf eine Brennkammer gerichtete Aufgabe wird erfindungs
gemäß gelöst durch eine Brennkammer mit einer inneren Brenn
kammerauskleidung, die Hitzeschildsteine gemäß den obigen
Ausführungen aufweist.
Die auf eine Gasturbine gerichtete Aufgabe wird erfindungs
gemäß gelöst durch eine Gasturbine mit einer derartigen
Brennkammer.
Die Vorteile einer solchen Gasturbine und einer solchen
Brennkammer ergeben sich entsprechend den obigen Ausführungen
zum Hitzeschildstein.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnung näher
erläutert. Es zeigen hierbei schematisch und teilweise ver
einfacht:
Fig. 1 in perspektivischer Ansicht einen Hitzeschildstein mit
Dämpfungselement, und
Fig. 2 eine Tragstruktur mit daran befestigten Hitzeschild
steinen.
In Fig. 1 ist in perspektivischer Ansicht ein Hitzeschildstein
1 gezeigt. Der Hitzeschildstein 1 ist quaderförmig, insbe
sondere mit einer quadratischen Grundfläche, ausgestaltet.
Der Hitzeschildstein 1 weist eine Heißseite 5 und eine der
Heißseite 5 gegenüberliegende Wandseite 7 auf. Beim Einsatz
des Hitzeschildsteins 1, beispielsweise in einer Brennkammer
einer Gasturbine, ist die Heißseite 5 mit einem heißen Me
dium, z. B. ein heißes Verbrennungsgas, beaufschlagt. An die
Heißseite 5 und die Wandseite 7 grenzt eine Umfangsseite 69
an. Die Umfangsseite wird hierbei von den vier Seitenflächen
des quaderförmigen Hitzeschildsteins 1 gebildet. Die Umfangs
seite 69 weist eine Stirnseite 71, 71A sowie eine gegenüber
der Stirnseite 71, 71A geneigte Befestigungsseite 73 auf. Die
Befestigungsseite 73 weist eine Nut 39, insbesondere eine
Hitzeschildsteinnut, zur Aufnahme eines nicht näher darge
stellten Befestigungselements auf (vgl. Fig. 2 und diesbezüg
liche Erläuterungen). Die Nut 39 erstreckt sich im Wesentli
chen parallel zu den durch die Heißseite 5 und die Wandseite
7 festgelegten Ebenen. An der Umfangsseite 69 ist ein Dämp
fungselement 3 und ein weiteres Dämpfungselement 3A ange
bracht. Die Dämpfungselemente 3, 3A bestehen aus einer Gewe
bematte 13, welche ein keramisches Material 15, insbesondere
ein keramisches Fasermaterial, aufweist. Die Dämpfungsele
mente 3, 3A sind jeweils mit einem Kleber 67 an der Umfangs
seite 69 angebracht. Damit ist eine feste Verbindung der Ge
webematte 13 mit dem Grundmaterial 19, beispielsweise einer
Feuerfestkeramik, des Hitzeschildsteins 1 erreicht.
Neben einer Verklebung kommt auch eine anderweitige Befesti
gung der Dämpfungselemente 3, 3A an der Umfangsseite 69 in
Frage. Beispielsweise können die Dämpfungselemente 3, 3A mit
tels Verschraubung, Verklammerung o. ä. angebracht sein, wobei
vorteilhafterweise sowohl feste als auch lösbare Verbindungen
möglich sind. Die Anordnung der Dämpfungselemente 3, 3A ist
der Gestalt, dass das Dämpfungselement 3 an der Stirnseite 71
und das Dämpfungselement 3A an der der Stirnseite 71 gegen
überliegenden Stirnseite 71A angebracht ist. Die Stirnseiten
71, 71A sind dabei flächig, insbesondere vollflächig mit dem
jeweiligen Dämpfungselement 3, 3A versehen. Somit ist eine
sehr wirkungsvolle Sicherung, insbesondere Stirnseitensiche
rung, des Hitzeschildsteins gegenüber Stößen und Stoß-
und/oder thermisch induzierter Rissbildung oder Material
durchrisse erreicht. Neben der Dämpfung von Schwingungen
und/oder Stößen auf die Stirnseiten 71, 71A sind eine Erhö
hung der passiven Sicherheit sowie Notlaufeigenschaften er
zielt. Eine Rissbildung, die sich etwa von der Heißseite 5
bis zur Wandseite 7 durch den Hitzeschildstein 1 erstreckt
und sich möglicherweise bis zu den Stirnseiten 71, 71A fort
pflanzt, wird durch die Dämpfungselemente 3, 3A sicher über
brückt.
Fig. 2 zeigt eine Tragstruktur 23, wobei an der Tragstruktur
23 ein Hitzeschildstein 1A sowie ein weiterer Hitzeschild
stein 1B befestigt sind. Zur Befestigung weist die Tragstruk
tur 23 Befestigungsnuten 37 auf, die sich parallel zu einer
Längsachse 77 erstrecken. Die Befestigungsnut 37 ist dabei
beispielsweise als eine Ausfräsung in der Tragstruktur 23
ausgestaltet. Die Hitzeschildsteine 1A, 1B sind entlang der
Längsachse 77 benachbart zueinander über ein jeweiliges Be
festigungselement 25 an der Tragstruktur 23 befestigt. Zur
Befestigung greift das Befestigungselement 25 in die Nut 39,
insbesondere die Hitzeschildsteinnut, des Hitzeschildsteins
1A, 1B ein. Die Anordnung der Hitzeschildsteine 1A, 1B ist in
der Weise, dass die Befestigungsseite 69 mit der Nut 39 pa
rallel zu einer Querachse 79 verläuft, wobei die Querachse 79
im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse 77 ist. Die Stirn
seite 67, 67A mit dem Dämpfungselement 3, 3A, 3B erstreckt
sich im Wesentlichen parallel zu der Längsachse 77. Der Hit
zeschildstein 1A weist einen Bruch 75 auf, der sich entlang
der Querachse 79 von der Stirnseite 67 zu der der Stirnseite
67 gegenüberliegenden Stirnseite 67A erstreckt. Der Bruch 75
wird durch das Dämpfungs- und Sicherungselement 3 an der
Stirnseite 67 und durch das Dämpfungs- und Sicherungselement
3A an der Stirnseite 67A überbrückt. Durch die feste Verbin
dung der Dämpfungselemente 3, 3A mit dem Hitzeschildstein 1A
zu einer Rissüberbrückung können sich die Bruchstücke 81A,
81B nicht von der Tragstruktur 23 lösen. Der Hitzeschildstein
1A behält mithin im Wesentlichen seine Funktion und seine
Hitzeschutzeigenschaften. Der Gefahr eines möglichen Heraus
lösens eines der Bruchstücke 81A, 81B wird somit sehr effek
tiv entgegengetreten.
Die in Fig. 2 gezeigte Tragstruktur 23 mit den Hitzeschild
steinen 1A, 1B kann beispielsweise als Auskleidung einer
Brennkammerwand, beispielsweise einer Brennkammerwand einer
Gasturbinenbrennkammer zum Einsatz kommen. Dabei wird die
Brennkammerwand üblicherweise flächendeckend mit Hitzeschild
steinen 1A, 1B ausgekleidet. Mit einer Brennkammer, die Hit
zeschildsteine 1, 1A, 1B den obigen Ausführungen aufweist, ist
eine gedämpfte, insbesondere federnde, Halterung der Hitze
schildsteine 1A, 1B in der Tragstruktur 23 erreichbar. Da
durch ergibt sich eine besonders hohe Unempfindlichkeit der
Brennkammerauskleidung gegenüber Stößen oder Vibrationen. Die
ein Dämpfungs- und Sicherungselement 3, 3A, 3B aufweisenden
Hitzeschildsteine 1A, 1B sind dabei sowohl für eine Beauf
schlagung mit den hohen Temperaturen eines heißen Mediums,
beispielsweise bis zu 1400°C in einer Gasturbine, als auch
gegenüber einem hohen mechanischen Energieeintrag infolge von
Stößen und/oder Vibrationen beständig. Durch das Dämpfungs
element 3, 3A, 3B ist die passive Sicherheit einer Brennkam
mer oder einer Gasturbine, welche eine derartige Brennkammer
aufweist, deutlich gesteigert. Der Hitzeschildstein 1A, 1B
verfügt im Fall besonderer Vorkommnisse über Notlaufeigen
schaften, so dass Folgeschäden, beispielsweise für den Turbi
nenteil einer Gasturbine, sicher vermieden werden können.
Claims (7)
1. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B), insbesondere zur Auskleidung
einer Brennkammerwand, mit einer einem heißen Medium aussetz
baren Heißseite (5), einer der Heißseite (5) gegenüberliegen
den Wandseite (7) und einer an die Heißseite (5) und die
Wandseite (7) angrenzenden Umfangsseite (69),
dadurch gekennzeichnet, dass an der
Umfangsseite(69) ein Dämpfungselement (3, 3A, 3B) angebracht
ist.
2. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das Dämp
fungselement (3, 3A, 3B) flächig ist.
3. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Dämp
fungselement (3, 3A, 3B) als Gewebe, insbesondere als Gewebe
matte, ausgestaltet ist.
4. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass das Dämp
fungselement (3, 3A, 3B) aus einem keramischen Material (15),
insbesondere aus einem keramischen Fasermaterial, besteht.
5. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Dämp
fungselement (3, 3A, 3B) durch Verklebung, insbesondere mittels
eines Klebers auf Silicatbasis, angebracht ist.
6. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Um
fangsseite (69) eine Stirnseite (71, 71A, 71B) und eine gegen
über der Stirnseite geneigte Befestigungsseite (73, 73A, 73B)
aufweist, wobei das Dämpfungselement an der Stirnseite
(71, 71A, 71B) vorgesehen ist.
7. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Befes
tigungsseite (73, 73A, 73B) eine Nut (39), insbesondere zur
Aufnahme eines Befestigungselements (25), aufweist.
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