EP0724116A2 - Keramische Auskleidung - Google Patents

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EP0724116A2
EP0724116A2 EP96810022A EP96810022A EP0724116A2 EP 0724116 A2 EP0724116 A2 EP 0724116A2 EP 96810022 A EP96810022 A EP 96810022A EP 96810022 A EP96810022 A EP 96810022A EP 0724116 A2 EP0724116 A2 EP 0724116A2
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EP
European Patent Office
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fastening element
ceramic
wall
ceramic lining
lining according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP96810022A
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English (en)
French (fr)
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EP0724116A3 (de
Inventor
Andreas Dr. Pfeiffer
Hugo Wetter
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ABB AG Germany
Original Assignee
ABB Management AG
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Filing date
Publication date
Application filed by ABB Management AG filed Critical ABB Management AG
Publication of EP0724116A2 publication Critical patent/EP0724116A2/de
Publication of EP0724116A3 publication Critical patent/EP0724116A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M5/00—Casings; Linings; Walls
    • F23M5/04—Supports for linings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/007—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel constructed mainly of ceramic components
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D1/00—Casings; Linings; Walls; Roofs
    • F27D1/04—Casings; Linings; Walls; Roofs characterised by the form, e.g. shape of the bricks or blocks used
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D1/00—Casings; Linings; Walls; Roofs
    • F27D1/14—Supports for linings
    • F27D1/145—Assembling elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M2900/00—Special features of, or arrangements for combustion chambers
    • F23M2900/05004—Special materials for walls or lining

Definitions

  • the invention relates to a ceramic lining for thermally highly stressed walls of combustion chambers, in particular combustion chambers for gas turbines, the lining consisting of individual elements which are fastened to the metallic wall by means of holding devices.
  • the lining with refractory elements based on oxidic materials can be regarded as state of the art.
  • these bricks In addition to the low mechanical stability and the thick-walled, heavy construction, these bricks have the disadvantage that the individual elements cannot be dismantled without being destroyed.
  • the material properties of the oxidic materials used for these linings are not up to the increasing mechanical and thermal loads, for example in gas turbine combustion chambers.
  • the high-temperature-resistant structural ceramics available today such as silicon carbide SiC and silicon nitride Si 3 N 4 , are not suitable for use in industrial combustion chambers as linings with a form-fitting structure made up of individual elements without a fixed connection of the parts.
  • the invention tries to avoid all these disadvantages. It is based on the task of creating an uncooled, releasable lining of a combustion chamber with ceramic elements, which can withstand the high mechanical and thermal stresses in a commercial, highly stressed combustion chamber.
  • a ceramic lining for combustion chambers consisting of at least one wall plate made of high-temperature-resistant structural ceramic with at least one through opening and of one fastening element per opening, the fastening element being fastened with its foot in a metallic holding device fastened to the metallic supporting wall is and the head of the fastening element rests in the opening of the wall plate, and wherein an insulation layer is arranged between the metallic wall and the ceramic wall plate, the fastening element made of high-temperature-resistant structural ceramics is resiliently connected to the holding device.
  • the advantages of the invention can be seen, inter alia, in the fact that the lining can withstand very high mechanical and thermal stresses due to its homogeneity and the material used, that the lining can be disassembled without destruction and can therefore be used repeatedly and that due to the spring-elastic connection of the ceramic structure to the metal holding structure, the thermal expansions between metallic and ceramic components or deformations of the insulation layer are absorbed by mechanical stresses.
  • the fastening element has a shape which is optimized from a thermal point of view, preferably an arch in the middle of the head, one rounded head and rounded cross-sectional transitions with large radii from head to shaft and from shaft to foot. This ensures that the mechanical and thermal stresses cause only low stresses.
  • the shaft of the fastening element is surrounded by a divided sleeve made of solidified, preformed insulation material and the contact surfaces to the metal in the region of the foot of the fastening element are also provided with an insulating layer. This leads to a minimization of the temperature gradient within the ceramic fastening element, so that the thermal stresses can be kept at a low level.
  • the wall plate is drawn in in the area of the opening in the direction of the metallic supporting wall, so that the head of the fastening element is completely received by the opening in the ceramic wall plate.
  • the insulation layer consists of ceramic fiber material, which can be applied in the form of prefabricated blocks.
  • the insulation layer is advantageously solidified at least in the region of the butt joint of the adjacent wall panels or is otherwise protected on the surface. This prevents the insulation from being flushed out in the case of parasitic hot air flows in the gap.
  • the insulation layer has a bore in the area of the fastening element to be received.
  • the metallic holding device consists of a longitudinally divided threaded sleeve, which comprises the foot of the fastening element, with one on the external thread the sleeve seated nut, and a guide ring embedded in the metallic wall, a guide sleeve and spring elements.
  • a reliable, removable and easily adjustable connection between the base of the ceramic fastening element and the metallic parts is thereby achieved.
  • a seal is advantageously arranged between the guide sleeve and the guide ring. This prevents possible leakage air flows that could occur due to the generally positive pressure drop between the outer, cooling air side and the inner, hot gas side of the lining.
  • FIG. 1 shows a partial longitudinal section of the lining according to the invention for a gas turbine combustion chamber.
  • An insulation layer 2 is applied to the metallic support wall 1 of the combustion chamber.
  • This preferably consists of ceramic fiber material.
  • the wall plates 3 and the insulation layer 2 are fastened to the metal supporting wall 1 with the aid of fastening elements 4, which are each arranged in a metallic holding device 5, which will be described in detail later.
  • these fastening elements 4 also consist of high-temperature-resistant structural ceramics.
  • the outer shape and the dimensions of the wall panels 3 can be easily adapted to the geometry of the room to be lined and are in no way predetermined.
  • the wall panels 3 shows a further possible shape of the wall panels 3.
  • they have a hexagonal outer contour.
  • symmetrical shapes are preferred.
  • the thickness d of the wall plate 3 results on the one hand from the required mechanical stability and on the other hand from minimizing the thermal stresses due to temperature gradients in the component.
  • a through opening 6 for receiving a fastening element 4, which here is a bolt consisting of head, shaft and foot.
  • a fastening element 4 which here is a bolt consisting of head, shaft and foot.
  • a plurality of openings 6 can also be present in each wall plate 3.
  • FIG. 4 which shows an enlarged section of the wall plate 3 according to FIG. 2 in the region of the opening 6 along the line IV-IV, the opening 6 is drawn in in the direction of the metallic supporting wall 1.
  • this increases the contact area between the fastening element 4 and the wall plate 3, and on the other hand the heat flows in the case of stationary and unsteady load gradients are influenced in such a way that only minimal thermal stresses arise.
  • the geometric design of this zone results from a coordination between the heat storage and heat conduction properties of the materials used.
  • a ratio of the thickness d of the wall plate 3 to the depth t of the drawn-in part of the wall plate 3 in the region of the opening 6 of approximately 5 to 3 has proven to be advantageous.
  • the contact surface between the head of the fastening element 4 (not shown in FIG. 4) arranged in the opening 6 and the wall plate 3 is optimally spherical in order to ensure a flat contact even with small angular positions of the bolt (ball head principle).
  • the head of the fastening element 4 is also spherical, as can be seen in FIGS. 5a and 5b, which each show a longitudinal section of two differently designed fastening elements 4.
  • the foot of the fastening element 4 is also spherical, which is then received by a correspondingly designed threaded sleeve 7 of the metal holding device 5. Since the metal / ceramic contact surface at the foot of the fastening element 4 is also spherical, a flat contact is also ensured here even at small angular positions.
  • fastening element 4 which is optimized in terms of thermal technology, is that the head of the fastening element 4 has a bulge 8 in its center.
  • large radii and moderate cross-section transitions are used, so that basic rules for designing with brittle ceramic materials are observed.
  • the cavity between the shaft of the fastening element 4 and the insulation layer 2 is filled by a split sleeve 15 made of solidified, preformed insulation material. Since the contact surfaces to the metal in the area of the foot of the fastening element 4 are also provided with an insulating intermediate layer, the temperature gradients within the fastening element 4 are minimized and the thermal stresses are kept at a low level.
  • the thickness of the insulation layer 2 is selected in accordance with the thermal load on the overall composite of the lining. It is to be determined in such a way that the maximum permissible temperatures of the metal supporting wall 1 are not exceeded.
  • the insulation material can be applied, for example, in the form of prefabricated blocks, a corresponding hole having to be provided in the area of the fastening bolt 4 for the assembly of the lining. Since the mounting distance between two wall plates 3 is determined by the thermal expansions of the wall plates 3, it is at least in the range underneath the butt joints of two adjacent plate elements, the surface of the insulation material is suitably solidified or otherwise protected, so that the insulation layer 2 is avoided in the gap in the case of parasitic hot air flows.
  • a central point of the invention is the stretch-tolerant elastic clamping of the ceramic fastening element 4 on the outside of the metal supporting wall 1.
  • the metallic holding device 5 consists of a longitudinally divided threaded sleeve 7, which comprises the foot of the fastening element.
  • a threaded nut 9 is arranged, via which, as will be explained further below, the clamping force can be adjusted.
  • the nut 9 holds the two halves of the threaded sleeve 7 together.
  • the mutual positioning of the two threaded sleeve halves can be achieved by additional construction elements, e.g. the bolts.
  • a square 10 serves to hold the split sleeve when tightening the threaded nut 9. Positions 7 and 10 are part of the split sleeve.
  • the metallic holding device 5 consists of a guide ring 11 embedded in the metallic supporting wall 1, a one-piece guide sleeve 12 for the fastening element 4 and spring elements 13 arranged between the guide sleeve 12 and the guide ring 11.
  • the spring 13 is, for example, as in FIG. 1 shown a disc spring.
  • the spring-elastic connection of the ceramic structure to the metallic holding device ensures that thermal relative expansions between the metallic and ceramic components or deformations of the insulation layer 2 ("setting") are absorbed by mechanical stresses, for example pulsations in the combustion chamber, without the contact surfaces impermissibly high voltages in the ceramic component can be induced. Almost constant clamping forces are ensured via a certain spring travel of the clamping (adjustable via the threaded nut 9 screwed onto the external thread of the sleeve 7).
  • a seal 14 is arranged against possible leakage air flows.
  • This seal 14 is located between the guide sleeve 12 and the guide ring 11 embedded in the metallic support wall 1. The play in the guide also allows a certain angular position of the bolt without additional forces being introduced into the bolt.

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Abstract

Bei einer keramischen Auskleidung für Brennräume, bestehend aus mindestens einer Wandplatte (3) aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik mit mindestens einer durchgehenden Öf-nung (6) und aus einem Befestigungselement (4) pro Öffnung (6), wobei das Befestigungselement (4) mit seinem Fuss in einer an der metallischen Tragwand (1) befestigten metallischen Haltevorrichtung (5) befestigt ist und der Kopf des Befestigungselementes (4) in der Öffnung (6) der Wandplatte (3) ruht, und wobei zwischen der metallischen Tragwand (1) und der keramischen Wandplatte (3) eine Isolationsschicht (2) angeordnet ist, besteht das Befestigungselement (3) aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik. Die Wandplatte (3) ist im Bereich der Öffnung (6) in Richtung der metallischen Tragwand (1) eingezogen und das Befestigungselement (4) ist federelastisch an einer speziellen Haltevorrichtung (5) angebunden. <IMAGE>

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine keramische Auskleidung für thermisch hochbeanspruchte Wände von Brennräumen, insbesondere Brennkammern für Gasturbinen, wobei die Auskleidung aus einzelnen Elementen besteht, welche mittels Haltevorrichtungen an der metallischen Wand befestigt sind.
    • Stand der Technik
  • Der Einsatz von keramischen Materialien zur Auskleidung von thermisch hochbelasteten Brennräumen ist bekannt.
  • Als Stand der Technik kann die Ausmauerung mit feuerfesten Elementen auf der Basis oxidischer Werkstoffe angesehen werden. Neben der geringen mechanischen Stabilität und der dickwandigen, schweren Konstruktion weisen diese Ausmauerungen den Nachteil auf, dass die Einzelelemente nicht zerstörungsfrei demontierbar sind. Ausserdem sind die verwendeten oxidischen Werkstoffe für diese Auskleidungen von den Materialeigenschaften her nicht den immer grösser werdenden mechanischen und thermischen Belastungen, z.B. in Gasturbinen-Brennkammern, gewachsen.
  • Ein prinzipiell ähnlicher Aufbau aus formschlüssigen Einzelelementen ohne feste Verbindung der einzelnen Teile, wie beispielsweise in DE 2 854 580 beschrieben, ist für den Einsatz in hochbelasteten Industrie-Brennkammern ebenfalls ungeeignet.
  • Lösbare Verbindungen keramischer Einzelelemente beruhen fast immer auf der Verwendung gekühlter metallischer Haltevorrichtungen (z.B. US 2 548 485), die einen wesentlichen Vorteil des Konzepts - einen quasi-adiabatischen Brennraum zu schaffen - zumindestens teilweise wieder zunichte machen.
  • In EP 080 444 B2 wird für eine gegossene feuerfeste Auskleidung eines Ofens vorgeschlagen, die Verankerungseisen in eine feuerfeste Masse einzusintern. Diese bildet dann mit den Verankerungseisen Verankerungselemente, welche mit Bolzen an der Ofenwand befestigt sind. Dies hat den Nachteil, dass durch die Inhomogenitäten innerhalb des keramischen Strukturelements die mechanischen Eigenschaften des Bauteils verschlechtert werden.
  • Für Brennräume kleiner Abmessungen sind Ansätze bekannt, die Brennraumwand aus ringförmigen Elementen aufzubauen, die neben einer axialen Fixierung nur noch zentriert werden müssen. Dieses Konzept ist aber für grössere Brennräume aus herstellungstechnischen und fertigungsbezogenen Gründen nicht anwendbar.
  • Die heute verfügbaren hochtemperaturbeständigen Strukturkeramiken, wie beispielsweise Siliciumcarbid SiC und Siliciumnitrid Si3N4, sind nicht als Auskleidung mit einem formschlüssigen Aufbau aus Einzelelementen ohne feste Verbindung der Teile für den Einsatz in Industrie-Brennkammern geeignet.
    • Darstellung der Erfindung
  • Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine ungekühlte lösbare Auskleidung eines Brennraumes mit keramischen Elementen zu schaffen, welche den hohen mechanischen und thermischen Beanspruchungen in einer kommerziellen hochbelasteten Brennkammer Stand hält.
  • Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei einer keramischen Auskleidung für Brennräume, bestehend aus mindestens einer Wandplatte aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik mit mindestens einer durchgehenden Öffnung und aus einem Befestigungselement pro Öffnung, wobei das Befestigungselement mit seinem Fuss in einer an der metallischen Tragwand befestigten metallischen Haltevorrichtung befestigt ist und der Kopf des Befestigungselementes in der Öffnung der Wandplatte ruht, und wobei zwischen der metallischen Wand und der keramischen Wandplatte eine Isolationsschicht angeordnet ist, das Befestigungselement aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik besteht federelastisch an die Haltevorrichtung angebunden ist.
  • Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, 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 und dass 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.
  • Es ist besonders zweckmässig, wenn das Befestigungselement eine in wärmetechnischer Hinsicht optimierte Form aufweist, vorzugsweise eine Einwölbung in der Mitte des Kopfes, einen abgerundeten Kopf und abgerundete Querschnittsübergänge mit grossen Radien vom Kopf zum Schaft und vom Schaft zum Fuss. Dadurch wird erreicht, dass die mechanisch und thermisch bedingten Belastungen nur geringe Spannungen verursachen.
  • Von Vorteil ist es, wenn der Schaft des Befestigungselementes von einer geteilten Hülse aus verfestigten, vorgeformten Isolationsmaterial umgeben ist und auch die Kontaktflächen zum Metall im Bereich des Fusses des Befestigungselementes mit einer isolierenden Schicht versehen sind. Das führt zu einer Minimierung des Temperaturgradienten innerhalb des keramischen Befestigungselements, so dass die thermischen Spannungen auf einem geringen Niveau gehalten werden können.
  • Weiterhin ist es in wärmetechnischer Hinsicht vorteilhaft, wenn die Wandplatte im Bereich der Öffnung in Richtung der metallischen Tragwand eingezogen ist, so dass der Kopf des Befestigungselementes völlig von der Öffnung in der keramischen Wandplatte aufgenommen wird.
  • Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Isolationsschicht aus keramischen Fasermaterial besteht, welches in Form von vorgefertigten Blöcken aufgebracht werden kann.
  • Schliesslich wird mit Vorteil die Isolationsschicht bei Verwendung von mindestens zwei Wandplatten mindestens im Bereich der Stossfuge der benachbarten Wandplatten verfestigt oder anderweitig an der Oberfläche geschützt. Dadurch wird bei parasitären Heissluftströmungen im Spalt ein Herausspülen der Isolation vermieden. Ausserdem weist die Isolationsschicht im Bereich des aufzunehmenden Befestigungselementes eine Bohrung auf.
  • Es ist zweckmässig, wenn die metallische Haltevorrichtung aus einer längsgeteilten Gewindehülse besteht, welche den Fuss des Befestigungselementes umfasst, mit einer auf dem Aussengewinde der Hülse sitzenden Mutter, sowie einem in die metallische Wand eingelassenen Führungsring, einer Führungshülse und Federelementen. Damit wird eine zuverlässige, demontierbare und über die Gewindemutter gut einstellbare Verbindung zwischen dem Fuss des keramischen Befestigungselementes und den metallischen Teilen erreicht.
  • Schliesslich wird mit Vorteil zwischen der Führungshülse und dem Führungsring eine Dichtung angeordnet. Diese verhindert mögliche Leckageluftströme, die sich auf Grund des in der Regel positiven Druckgefälles zwischen der äusseren, kühlluftseitigen und der inneren, heissgasseitigen Seite der Auskleidung einstellen könnten.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen Teillängsschnitt der Auskleidung für eine Gasturbinen-Brennkammer;
    Fig. 2
    eine Draufsicht auf die Auskleidung bei Verwendung quadratischer Wandplatten;
    Fig. 3
    eine Draufsicht auf die Auskleidung bei Verwendung hexagonaler keramischer Wandplatten;
    Fig. 4
    einen vergrösserten Schnitt der Wandplatte im Bereich der Öffnung entlang der Linie IV-IV in Fig. 2;
    Fig. 5a,b
    je einen Längsschnitt des Befestigungselements.
  • Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.
    • Weg zur Ausführung der Erfindung
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Fig. 1 bis 5 näher erläutert.
  • Fig. 1 zeigt einen Teillängsschnitt der erfindungsgemässen Auskleidung für eine Gasturbinen-Brennkammer. Auf der metallischen Tragwand 1 der Brennkammer ist eine Isolationsschicht 2 aufgebracht. Diese besteht vorzugsweise aus keramischem Fasermaterial. Auf der Isolationsschicht sind wiederum keramische Wandplatten 3 angeordnet, welche aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik, beispielsweise SiC oder Si3N4, bestehen. Die Wandplatten 3 und die Isolationsschicht 2 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 Wandplatten 3 aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik.
  • Die äussere Form und die Abmessungen der Wandplatten 3 können problemlos an die Geometrie des auszukleidenden Raumes angepasst werden und sind in keiner Weise vorbestimmt.
  • Fig. 2 zeigt, dass dies im einfachsten Fall eine quadratische Kontur sein kann, um ebene oder nur leicht gekrümmte Brennräume auszukleiden. Ebenso sind auch Wandplatten 3 mit einer rechteckigen Aussenkontur einsetzbar.
  • Aus Fig. 3 geht eine weitere mögliche Form der Wandplatten 3 hervor. 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 Wandplatte 3 ergibt sich einerseits aus der geforderten mechanischen Stabilität und andererseits aus einer Minimierung der thermischen Spannungen auf Grund von Temperaturgradienten im Bauteil.
  • Im Zentrum der Wandplatte 3 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 jeder Wandplatte 3 vorhanden sein.
  • Wie aus Fig. 4 hervorgeht, welche einen vergrösserten Schnitt der Wandplatte 3 gemäss Fig. 2 im Bereich der Öffnung 6 entlang der Linie IV-IV zeigt, ist die Öffnung 6 in Richtung der metallischen Tragwand 1 eingezogen. Dadurch wird einerseits die Kontaktfläche zwischen dem Befestigungselement 4 und der Wandplatte 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 Wärmeleitungseigenschaften der verwendeten Materialien. Als vorteilhaft hat sich ein Verhältnis der Dicke d der Wandplatte 3 zur Tiefe t des eingezogenen Teils der Wandplatte 3 im Bereich der Öffnung 6 von ca. 5 zu 3 erwiesen.
  • Die Kontaktfläche zwischen dem in der Öffnung 6 angeordnetem Kopf des Befestigungselementes 4 (in Fig. 4 nicht dargestellt) und der Wandplatte 3 ist in optimaler-Weise sphärisch ausgeführt, um auch bei geringen Winkellagen des Bolzens eine flächige Berührung sicherzustellen (Kugelkopfprinzip). Das bedeutet, dass auch der Kopf des Befestigungselementes 4 sphärisch ausgeführt ist, wie gut in den Fig. 5a und 5b zu erkennen ist, welche jeweils einen Längsschnitt von zwei unterschiedlich ausgebildeten Befestigungselementen 4 zeigen.
  • Bei dem in Fig. 5b beispielhaft dargestellten Befestigungselement 4 ist auch der Fuss des Befestigungselementes 4 sphärisch ausgebildet, welcher dann von einer entsprechend ausgebildeten Gewindehülse 7 der metallischen Haltevorrichtung 5 aufgenommen wird. Da also auch die Metall/Keramik-Kontaktfläche am Fuss des Befestigungselementes 4 sphärisch ausgebildet ist, wird hier ebenfalls eine flächige Berührung auch bei geringen Winkellagen sichergestellt.
  • Eine weitere Besonderheit des in wärmetechnischer Hinsicht optimierten Befestigungselementes 4 besteht darin, dass der Kopf des Befestigungselementes 4 in seinem Zentrum eine Einwölbung 8 aufweist. Ausserdem werden grosse Radien und moderate Querschnittsübergänge verwendet, so dass grundlegende Regeln für das Konstruieren mit spröden keramischen Werkstoffen eingehalten werden.
  • Der Hohlraum zwischen dem Schaft des Befestigungselementes 4 und der Isolationsschicht 2 wird durch eine geteilte Hülse 15 aus verfestigtem, vorgeformten Isolationsmaterial ausgefüllt. Da auch die Kontaktflächen zum Metall im Bereich des Fusses des Befestigungselementes 4 mit einer isolierenden Zwischenschicht versehen ist, werden dadurch die Temperaturgradienten innerhalb des Befestigungselementes 4 minimiert und die thermischen Spannungen auf einem niedrigen Niveau gehalten.
  • Die Dicke der Isolationsschicht 2 wird gemäss der thermischen Belastung des Gesamtverbundes der Auskleidung gewählt. Sie ist so festzulegen, dass die maximal zulässigen Temperaturen der metallischen Tragwand 1 nicht überschritten werden. Das Isolationsmaterial kann beispielsweise in Form von vorgefertigten Blöcken aufgebracht werden, wobei im Bereich des Befestigungsbolzens 4 eine entsprechende Bohrung für die Montage der Auskleidung vorhanden sein muss. Da der Montageabstand zwischen zwei Wandplatten 3 durch die thermischen Dehnungen der Wandplatten 3 bestimmt ist, ist zumindestens 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 2 vermieden wird.
  • Ein zentraler Punkt der Erfindung ist die dehnungstolerante elastische Einspannung des keramischen Befestigungselementes 4 auf der Aussenseite der metallischen Tragwand 1.
  • 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.
  • 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 oder Verformungen der Isolationsschicht 2 ("Setzen") durch mechanische Beanspruchungen, beispielsweise Pulsationen im Brennraum, 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.
  • Da zwischen der äusseren kühlluftseitigen und der inneren heissgasseitigen Seite der Auskleidung in der Regel ein positives Druckgefälle vorliegt, ist eine Dichtung 14 gegen mögliche Leckageluftströme angeordnet. Diese Dichtung 14 befindet sich zwischen der Führungshülse 12 und dem in der metallischen Tragwand 1 eingelassenen Führungsring 11. Das Spiel in der Führung lässt dabei auch eine gewisse Winkelstellung des Bolzens zu, ohne dass zusätzliche Kräfte in den Bolzen eingeleitet werden.
  • Durch Verwendung der Haltevorrichtung 5 in Verbindung mit den keramischen Befestigungselementen 4 wird eine zerstörungsfreie Demontage der keramischen Auskleidung und damit ein mehrfacher Einsatz der keramischen Elemente ermöglicht.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    metallische Tragwand
    2
    Isolationsschicht
    3
    keramische Wandplatte
    4
    Befestigungselement
    5
    Haltevorrichtung
    6
    Öffnung
    7
    Gewindehülse
    8
    Einwölbung
    9
    Gewindemutter
    10
    Vierkant
    11
    Führungsring
    12
    Führungshülse
    13
    Feder
    14
    Dichtung
    15
    Hülse aus Isolationsmaterial
    d
    Dicke der Wandplatte
    t
    Tiefe des eingezogenen Teils der Wandplatte

Claims (9)

  1. Keramische Auskleidung für Brennräume, bestehend aus mindestens einer Wandplatte (3) aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik mit mindestens einer durchgehenden Öffnung (6) und aus einem Befestigungselement (4) je Öffnung (6), wobei das Befestigungselement (4) mit seinem Fuss in einer an der metallischen Tragwand (1) befestigten metallischen Haltevorrichtung (5) angeordnet ist und der Kopf des Befestigungselementes (4) in der Öffnung (6) der Wandplatte (3) ruht, und wobei zwischen der metallischen Tragwand (1) und der keramischen Wandplatte (3) eine Isolationsschicht (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (3) aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik besteht und federelastisch an die Haltevorrichtung (5) angebunden ist.
  2. Keramische Auskleidung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (4) eine in wärmetechnischer Hinsicht optimierte Form aufweist, vorzugsweise eine Einwölbung (8) in der Mitte des Kopfes und abgerundete Querschnittsübergänge mit grossen Radien vom Kopf zum Schaft und vom Schaft zum Fuss.
  3. Keramische Auskleidung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft des Befestigungselementes (4) von einer geteilten Hülse (15) aus verfestigten, vorgeformten Isolationsmaterial umgeben ist.
  4. Keramische Auskleidung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandplatte (3) im Bereich der Öffnung (6) in Richtung der metallischen Tragwand (1) eingezogen ist.
  5. Keramische Auskleidung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (2) aus keramischen Fasermaterial besteht.
  6. Keramische Auskleidung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (2) bei Verwendung von mindestens zwei Wandplatten (3) mindestens im Bereich der Stossfuge der benachbarten Wandplatten (3) verfestigt ist.
  7. Keramische Auskleidung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (2) im Bereich des aufzunehmenden Befestigungselements (4) eine Bohrung aufweist.
  8. Keramische Auskleidung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (5) aus einer längsgeteilten Gewindehülse (7) besteht, welche den Fuss des Befestigungselementes (4) umfasst, mit einer auf dem Aussengewinde der Hülse (7) sitzenden Gewindemutter (9), sowie einem in die metallische Tragwand (1) eingelassenen Führungsring (11), einer Führungshülse (12) für das Befestigungselement (4) und zwischen Führungshülse (12) und Führungsring (11) angeordneten Federelementen (13).
  9. Keramische Auskleidung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Führungshülse (12) und dem Führungsring (11) eine Dichtung (14) angeordnet ist.
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