DE4343319A1 - Brennkammer mit keramischer Auskleidung - Google Patents
Brennkammer mit keramischer AuskleidungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkammer, insbesondere für
Gasturbinen, mit einem hohlzylindrischen Gehäuse, dessen
Innenwand eine aus einzelnen Keramik-Elementen zusammenge
setzte Auskleidung aufweist sowie ein Verfahren zur Her
stellung bzw. Montage dieser Auskleidung.
Zur Auskleidung von Flammrohren, welche einer hohen termi
schen Beanspruchung unterworfen sind, werden üblicherweise
hochwarmfeste metallische Werkstoffe verwendet, die zusätz
lich in besonderen Anordnungen eingesetzt werden und gege
benenfalls mit dünnen keramischen Schichten versehen sind.
Daneben finden auch Auskleidungen von Flammrohren mit dic
ken keramischen Werkstoffen Anwendung. Bei der Auskleidung
konkaver Flächen mit dicken Wandelementen vom Inneren des
Flammrohrs her können Probleme auftreten, wenn die doppelte
Spaltweite zwischen Nachbarelementen kleiner als die Diffe
renz der äußeren und der inneren Sehnenlänge der Elemente
ist. Diese Problematik wird am Beispiel eines zylindrischen
Flammrohres mit gleichen Wandelementen in Fig. 1 erläu
tert.
Zur Zeit wird dieses Problem umgangen, indem entweder die
Spalte groß genug gewählt oder indem die Kühlelemente axial
eingeschoben werden. Zunächst werden diese bisher einge
setzten Lösungen beschrieben.
Es ist seit langem bekannt (DE-PS 11 73 734), Brennkammern
mit einer aus an Haltern befestigten feuerfesten Steinen
aufgebauten Auskleidung zu versehen, die mechanisch an der
tragenden Wand befestigt sind. Durch die vorhandenen Spalte
tritt Leckageluft aus, die gleichzeitig zur Kühlung der me
tallischen Halter dient.
Aus der DE-OS 36 25 056 ist eine feuerfeste Auskleidung für
Brennkammern von Gasturbinenanlagen bekannt, die aus ein
zelnen Steinen besteht, welche unter Belassung von Kühl
fluidspalten mit metallischen Halteklammern nahezu flächen
deckend an einer Tragstruktur befestigt sind. Die Steine
weisen dabei zumindest an den von Metallklammern gehalter
ten Seiten zur Tragstruktur hin abgeschrägte Flanken auf,
welche zumindest teilweise von den ebenfalls abgeschrägten
Halteklammern überdeckt werden und so die Steine gegen die
Tragstruktur drücken. Die bei dieser Bauform thermisch be
sonders belastete Heißseite der Halteklammern wird dabei
über Kühlfluidöffnungen in der Tragstruktur gekühlt.
Ferner ist ein Hitzeschild für ein Flammrohr einer Gastur
bine, das aus einer Vielzahl von Steinen besteht, die im
wesentlichen flächendeckend nebeneinander angeordnet sind
und jeweils mittels wenigstens eines zugehörigen Halters an
der die Anordnung übergebenden Tragwand befestigt sind, aus
der DE-41 14 768 A1 bekannt geworden.
Dieser ersten Gruppe von bekannten Auskleidungen ist ge
mein, daß sie aus Einzelelementen bestehen, die unter Ver
wendung zusätzlicher Haltemittel an der außen liegenden
Tragstruktur, wobei die Spalte zwischen den einzelnen Ele
menten so dimensioniert, daß die austretende Leckageluft
die in den Spalten vorhandenen metallischen Halteelemente
ausreichend kühlt. Diese Leckageluft stellt gleichzeitig
einen Verlust an Verbrennungsluft dar.
Ferner ist eine zweite Gruppe von Auskleidungen von Brenn
kammern bekannt, die diese Spalte und die damit verbundene
Leckageluft vermeiden, bei denen die keramischen Hit
zeschilde aber in axialer Richtung in die metallische,
meist annähernd zylindrische Haltestruktur eingeschoben
werden müssen:
Yukiyoshi Hara, "Research and Development of ceramic compo
nents for a power generating gas turbine at Tokyo Electric
Power Company"; FC Annual Report for Overseas Readers;
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mics Association; Pfeiffer A., Schulz A., Wittig S.,
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stor"; 1991 Yokohama-International Gas turbine Congress-45;
III-9.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe die
ser Erfindung, eine Tragwand einer Brennkammer der eingangs
genannten Art mit konkaver Oberfläche von innen derart
auszukleiden, daß große Spalte vermieden werden, wie in der
ersten Gruppe von bekannten Auskleidungen und daß die Ele
mente nicht in axialer Richtung eingeschoben werden müssen,
wie in der zweiten Gruppe von bekannten Auskleidungen. Un
ter großer Spalt wird hierbei eine Spaltweite verstanden,
welche es zuläßt, ein beliebiges Keramikelement aus seiner
jeweiligen Lage zu entfernen, ohne daß vorher andere Ele
mente entfernt werden müssen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den kenn
zeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst,
daß die einzelnen Keramikelemente der Auskleidung als Tra
pezoeder ausgebildet sind und praktisch spaltfrei aneinan
derliegend radial an die Tragwand angesetzt und daran befe
stigt sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wer
den die einzelnen Keramik-Elemente, aus denen die Ausklei
dung zusammengesetzt ist und die als Trapezoeder ausgebil
det sind, d. h. als Körper mit trapezförmigen Querschnitt,
abwechselnd mit ihrer größeren und ihrer kleineren Seite,
die als Rückseite dient, an die Tragwand angesetzt. Dabei
sind die Anlageflächen der Keramikelemente jeweils an die
Geometrie der Tragwand der Brennkammer angepaßt.
Die vorliegende Erfindung ist für den Fall vorgesehen, in
welchem eine axiale Montage aufgrund der bestehenden räum
lichen Verhältnisse nicht möglich ist und die einzelnen Ke
ramik-Elemente daher jeweils in radialer Richtung an die
Innenwand des Gehäuses der Brennkammer angesetzt werden
müssen.
Hierbei ergibt sich das Problem, wie der sogenannte Schluß
stein gesetzt werden kann. Da eine axiale Einfügung des so
genannten Schlußsteins aufgrund der räumlichen Verhältnisse
ausscheidet, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung
vorgesehen, den Schlußstein, der ebenfalls als Trapezoeder
ausgebildet ist, mit seiner kleineren Fläche an die Gehäus
einnenwand der Brennkammer anzusetzen und mittels eines zu
vor darin verankerten Haltemittels an der Innenwand zu be
festigen. Gemäß dieser Variante ist dabei vorgesehen, daß
die bestimmungsgemäß nicht parallelen Flächen des als
Schlußstein dienenden Keramik-Elements an die Seitenflächen
der angrenzenden Keramik-Elemente angepaßt sind, so daß in
erfindungsgemäßer Weise die Keramik-Elemente eng aneinan
derliegend eine bogenähnliche Struktur aufweisen.
Aus Vereinfachungsgründen für die Montage kann es vorteil
haft sein, daß zwischen zwei mit ihrer größeren Seite an
die Innenwand des Brennkammergehäuses angesetzte Keramik-
Elemente jeweils ein Keramik-Element mit seiner kleineren
Seite an die Innenwand angesetzt ist, das in der bereits
erläuterten Weise mit einem Haltemittel daran befestigt
ist. Dabei sind die Haltemittel in vorteilhafter Weiterbil
dung der Erfindung als Bolzen ausgebildet, die in hierfür
vorgesehene, vorzugsweise als Langlöcher ausgebildete
Ausnehmungen in der Gehäusewand eingreifen.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Hal
temittel formschlüssig in den Keramik-Elementen gehalten
sind und an ihrem freien Ende als Schraubbolzen ausgebildet
sind.
Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin
dung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten
Ausführungsbeispiels sollen die Erfindung, vorteilhafte
Ausgestaltungen und Verbesserungen sowie besondere Vorteile
der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemä
ßen Auskleidung im Teilschnitt,
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemä
ßen Auskleidung im Teilschnitt,
Fig. 4 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemä
ßen Auskleidung im Teilschnitt.
In Fig. 1 ist ein schematischer Querschnitt durch einen
Teil der Tragwand 12 einer Brennkammer 10 mit daran auf der
konkaven Innenseite angeordneten im wesentlichen gleichför
migen Keramikelementen 13, welche die Auskleidung bilden.
Zwischen den Keramikelementen 13 sind Spalte 13.1 und 13.2
vorgesehen, deren Spaltweite h₁ und h₂ ausreichend groß ist
um eine Einzelmontage bzw. Einzeldemontage eines einzelnen
Keramikelements zu ermöglichen. Hierfür gilt die folgende
geometrische Beziehung zwischen den die Spalte 13.1 und
13.2 begrenzenden Seitenwänden jedes Keramikelements und
deren lotrechtem Abstand entsprechend einer Sehne im Kreis
mit h₁ + h₂ s₂ - s₁. Erst wenn die Spaltweite derart
eng, entsprechend der Erfindung vorgesehen ist, daß
h₁ + h₂ < s₂ - s₁ gilt, dann ist eine singuläre Montage
oder Demontage eines einzelnen Keramikelements, d. h., ohne
vorher andere Elemente entfernt zu haben, nicht möglich.
In Fig. 2 ist ausschnittweise ein Teil einer Brennkammer
10 mit einer Tragwand 12 dargestellt, an deren Innenseite
eine keramische Auskleidung 14 angeordnet ist. Die kerami
sche Auskleidung 14 ist aus einzelnen Keramikelementen 15,
16 zusammengesetzt, die jeweils als Trapezoeder ausgebildet
sind und wechselweise mit ihrer größeren bzw. mit ihrer
kleineren Grundfläche an die Innenseite der Tragwand 12 an
gesetzt und daran befestigt sind. Hierbei sind die Grund
flächen eines jeden Keramikelements 15, 16 jeweils an die
Geometrie der Tragwand bzw. der Innenseite der Auskleidung
14 angepaßt, d. h., auf der zur Tragwand weisenden Seite
konvex und auf der zum Innenraum der Brennkammer 10 weisen
den Seite konkav ausgebildet.
Die Seitenflächen der Keramikelemente sind gegenüber den
Grundflächen so angestellt, daß sie einen Winkel ungleich
90° einschließen. Dabei beträgt der Winkel zwischen der
größeren Grundfläche und der jeweiligen Seitenfläche <90°.
Dementsprechend beträgt der Winkel zwischen der jeweiligen
Seitenfläche und der gegenüberliegenden kleineren Grundflä
che <90°.
Üblicherweise werden die Keramikelemente 15, 16 der Aus
kleidung 14 in an sich bekannter hier nicht näher gezeigter
Weise mit der Tragwand 12 mechanisch verbunden.
In Fig. 3 ist eine ähnliche Anordnung einer Brennkammer 10
gezeigt mit einer Tragwand 12, wie in Fig. 1 dargestellt,
wiedergegeben, bei welcher die Auskleidung 14 aus im we
sentlichen gleichförmigen Keramikelementen 18 gebildet ist,
deren Seitenflächen im Unterschied zu der in Fig. 1 ge
zeigten Ausführungsform jeweils radial ausgerichtet sind.
Zwar ist hierbei die jeweilige Anlagefläche der Seitenflä
chen von benachbarten Keramikelementen 18 kleiner als bei
der Ausführungsform nach Fig. 1 doch ergibt sich aufgrund
der gleichförmigen radialen Ausrichtung der Seitenflächen
ein kraftschlüssig wirksamer Verbund, der sich gegenseitig
stützt und hierdurch ebenfalls den spaltfreien Zustand ge
währleistet. Wie bereits in Fig. 2 gezeigt ist auch bei
der Ausgestaltung gemäß Fig. 3 ein Schlußstein 17 vorgese
hen, der mit seiner kleineren Grundfläche an die Tragwand
12 angesetzt wird und dessen Seitenflächen entsprechend der
aus Fig. 1 bekannten Abschrägung mit entsprechend angepaß
ten Nachbarsteinen 19 zusammenarbeitet.
Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform einer erfin
dungsgemäßen Auskleidung 14 für eine Brennkammer 10 mit ei
ner Tragwand 13 unterscheidet sich von der in Fig. 2 ge
zeigten Variante lediglich dadurch, daß die einzelnen Kera
mikelemente 17, 18, 19 mittels darin verankerter Gewinde
bolzen an der Tragwand 13 befestigt sind, welche mit hier
nicht näher dargestellten für den Durchgriff der Gewinde
bolzen vorgesehenen Ausnehmungen versehen ist.
Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Auskleidung wer
den die einzelnen Keramikelemente 14, 15, 16, 17, 18, 19 in
radialer Richtung an die Tragwand eng aneinander angesetzt.
Zu diesem Zweck sind vorteilhafter Weise die Ausnehmungen
in der Tragwand als Langlöcher gestaltet, um gegebenenfalls
ein begrenztes seitliches Verschieben eines Keramikelements
zu ermöglichen, damit es dicht am benachbarten Keramikele
ment anliegt.
Claims (7)
1. Brennkammer (10), insbesondere für Gasturbinen,
mit einer hohlzylindrischen Tragwand (12, 13) an deren In
nenseite eine aus einzelnen Keramik-Elementen (15, 16, 17,
18, 19) zusammengesetzte Auskleidung (14) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikelemente (15, 16,
17, 18, 19) als Trapezoeder ausgebildet sind, deren Grund
flächen an die Geometrie der Brennkammer (10) angepaßt und
die an der Innenseite der Tragwand (12, 13) befestigt sind.
2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß jeweils ein keramischer Schlußstein (17) vorgese
hen ist, der mit seiner kleineren Seite an die Tragwand
(12, 13) angesetzt ist und mit einem Haltemittel daran be
festigt ist.
3. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Keramikelemente (15, 16) wechselweise
mit ihrer größeren und ihrer kleineren Grundfläche an die
Tragwand angesetzt sind, so daß zwischen zwei mit ihrer
größeren Grundfläche an der Tragwand (12) angesetzte Kera
mikelemente (15) ein Keramikelement (16) mit seiner kleine
ren Grundfläche an die Innenseite der Tragwand (12) ange
setzt und mittels einem Haltemittel (20) daran befestigt
ist.
4. Brennkammer nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Haltemittel als Bolzen aus
gebildet sind, die in hierfür vorgesehene Ausnehmungen in
der Tragwand (13) eingreifen.
5. Brennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich
net, daß die Haltemittel (20) in dem Keramikelement (17,
18, 19) verankert sind und an ihrem freien Ende als
Schraubbolzen ausgebildet sind.
6. Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich
net, daß die Haltemittel (20) in dem Keramikelement (17,
18, 19) formschlüssig gehalten sind.
7. Brennkammer nach Anspruch 2 und 3 mit allen
Zwischenstufen und Kombinationen der darin aufgezeigten
Montageanordnungen der Keramikelemente.
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