DE10046094C2 - Hitzeschildstein zur Auskleidung einer Brennkammerwand - Google Patents

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.