DE19502730A1

DE19502730A1 - Keramische Auskleidung

Info

Publication number: DE19502730A1
Application number: DE19502730A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr Pfeiffer; Hugo Wetter
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1995-01-28
Filing date: 1995-01-28
Publication date: 1996-08-01
Also published as: EP0724116A3; JPH08296976A; US5624256A; EP0724116A2

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine keramische Auskleidung für ther misch hochbeanspruchte Wände von Brennräumen, insbesondere Brennkammern für Gasturbinen, wobei die Auskleidung aus ein zelnen 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 wer den. Neben der geringen mechanischen Stabilität und der dick wandigen, schweren Konstruktion weisen diese Ausmauerungen den Nachteil auf, daß die Einzelelemente nicht zerstörungs frei demontierbar sind. Außerdem sind die verwendeten oxidi schen Werkstoffe für diese Auskleidungen von den Materialei genschaften her nicht den immer größer werdenden mechani schen und thermischen Belastungen, z. B. in Gasturbinen-Brenn kammern, gewachsen.

Ein prinzipiell ähnlicher Aufbau aus formschlüssigen Einzel elementen ohne feste Verbindung der einzelnen Teile, wie bei spielsweise in DE 28 54 580 beschrieben, ist für den Einsatz in hochbelasteten Industrie-Brennkammern ebenfalls ungeeig net.

Lösbare Verbindungen keramischer Einzelelemente beruhen fast immer auf der Verwendung gekühlter metallischer Haltevorrich tungen (z. B. US 2 548 485), die einen wesentlichen Vorteil des Konzepts - einen quasi-adiabatischen Brennraum zu schaf fen - zumindestens teilweise wieder zunichte machen.

In EP 080 444 B2 wird für eine gegossene feuerfeste Ausklei dung eines Ofens vorgeschlagen, die Verankerungseisen in eine feuerfeste Masse einzusintern. Diese bildet dann mit den Ver ankerungseisen Verankerungselemente, welche mit Bolzen an der Ofenwand befestigt sind. Dies hat den Nachteil, daß durch die Inhomogenitäten innerhalb des keramischen Strukturele ments die mechanischen Eigenschaften des Bauteils verschlech tert werden.

Für Brennräume kleiner Abmessungen sind Ansätze bekannt, die Brennraumwand aus ringförmigen Elementen aufzubauen, die ne ben einer axialen Fixierung nur noch zentriert werden müssen. Dieses Konzept ist aber für größere Brennräume aus herstel lungstechnischen und fertigungsbezogenen Gründen nicht an wendbar.

Die heute verfügbaren hochtemperaturbeständigen Strukturkera miken, wie beispielsweise Siliciumcarbid SiC und Siliciumni trid Si₃N₄, sind nicht als Auskleidung mit einem formschlüs sigen 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 Ausklei dung 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 minde stens einer Wandplatte aus hochtemperaturbeständiger Struk turkeramik mit mindestens einer durchgehenden Öffnung und aus einem Befestigungselement pro Öffnung, wobei das Befesti gungselement 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 Haltevorrich tung angebunden ist.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, daß die Auskleidung auf Grund ihrer Homogenität und des ein gesetzten Materials sehr hohen mechanischen und thermischen Beanspruchungen gewachsen ist, daß die Auskleidung zerstö rungsfrei demontierbar ist und daher mehrfach verwendet wer den kann und daß durch die federelastische Anbindung der ke ramischen Struktur an die metallische Haltekonstruktion die thermischen Dehnungen zwischen metallischen und keramischen Komponenten bzw. Verformungen der Isolationsschicht durch me chanische 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 be dingten Belastungen nur geringe Spannungen verursachen.

Von Vorteil ist es, wenn der Schaft des Befestigungselementes von einer geteilten Hülse aus verfestigten, vorgeformten Iso lationsmaterial 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 kerami schen Befestigungselements, so daß die thermischen Spannun gen 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 kerami schen Wandplatte aufgenommen wird.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Isolationsschicht aus ke ramischen Fasermaterial besteht, welches in Form von vorge fertigten Blöcken aufgebracht werden kann.

Schließlich wird mit Vorteil die Isolationsschicht bei Ver wendung von mindestens zwei Wandplatten mindestens im Bereich der Stoßfuge der benachbarten Wandplatten verfestigt oder anderweitig an der Oberfläche geschützt. Dadurch wird bei pa rasitären Heißluftströmungen im Spalt ein Herausspülen der Isolation vermieden. Außerdem weist die Isolationsschicht im Bereich des auf zunehmenden 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 Außen gewinde der Hülse sitzenden Mutter, sowie einem in die metal lische Wand eingelassenen Führungsring, einer Führungshülse und Federelementen. Damit wird eine zuverlässige, demontier bare 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 Re gel positiven Druckgefälles zwischen der äußeren, kühlluft seitigen und der inneren, heissgasseitigen Seite der Ausklei dung 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 Be reich 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 wesentli chen Elemente gezeigt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie len und der Fig. 1 bis 5 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Teillängsschnitt der erfindungsgemäßen Auskleidung für eine Gasturbinen-Brennkammer. Auf der metal lischen Tragwand 1 der Brennkammer ist eine Isolationsschicht 2 aufgebracht. Diese besteht vorzugsweise aus keramischem Fa sermaterial. Auf der Isolationsschicht sind wiederum kerami sche Wandplatten 3 angeordnet, welche aus hochtemperaturbe ständiger Strukturkeramik, beispielsweise SiC oder Si₃N₄, be stehen. Die Wandplatten 3 und die Isolationsschicht 2 sind mit Hilfe von Befestigungselementen 4, welche jeweils in ei ner metallischen Haltevorrichtung 5, die später im Detail be schrieben wird, angeordnet sind, an der metallischen Tragwand 1 befestigt. Diese Befestigungselemente 4 bestehen ebenfalls wie die Wandplatten 3 aus hochtemperaturbeständiger Struktur keramik.

Die äußere Form und die Abmessungen der Wandplatten 3 können problemlos an die Geometrie des auszukleidenden Raumes ange paßt 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 Brenn räume 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 sechs eckige 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 einer seits aus der geforderten mechanischen Stabilität und ande rerseits 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, angeord net. Selbstverständlich können in anderen, hier nicht gezeig ten 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 ent lang 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 entste hen. Die geometrische Gestaltung dieser Zone resultiert aus einer Abstimmung zwischen den Wärmespeicher- und Wärmelei tungseigenschaften der verwendeten Materialien. Als vorteil haft 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 darge stellt) 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 un terschiedlich ausgebildeten Befestigungselementen 4 zeigen.

Bei dem in Fig. 5b beispielhaft dargestellten Befestigungs element 4 ist auch der Fuß des Befestigungselementes 4 sphä risch ausgebildet, welcher dann von einer entsprechend ausge bildeten Gewindehülse 7 der metallischen Haltevorrichtung 5 aufgenommen wird. Da also auch die Metall/Keramik-Kontaktflä che am Fuß des Befestigungselementes 4 sphärisch ausgebildet ist, wird hier ebenfalls eine flächige Berührung auch bei ge ringen Winkellagen sichergestellt.

Eine weitere Besonderheit des in wärmetechnischer Hinsicht optimierten Befestigungselementes 4 besteht darin, daß der Kopf des Befestigungselementes 4 in seinem Zentrum eine Ein wölbung 8 aufweist. Außerdem werden große Radien und mode rate Querschnittsübergänge verwendet, so daß grundlegende Regeln für das Konstruieren mit spröden keramischen Werkstof fen 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 Zwischen schicht versehen ist, werden dadurch die Temperaturgradienten innerhalb des Befestigungselementes 4 minimiert und die ther mischen 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 vorgefer tigten Blöcken aufgebracht werden, wobei im Bereich des Befe stigungsbolzens 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 pa rasitären 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 Be festigungselementes umfaßt. Auf dem Außengewinde der Gewin dehülse 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 Hälf ten der Gewindehülse 7 zusammen. Die gegenseitige Positionie rung der beiden Gewindehülsehälften kann durch zusätzliche Konstruktionselemente, z. B. die Bolzen, sichergestellt wer den. Ein Vierkant 10 dient dazu, die geteilte Hülse beim An ziehen 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 Führungs ring 11, einer einteiligen Führungshülse 12 für das Befesti gungselement 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 Tellerfe der. 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 Isolations schicht 2 ("Setzen") durch mechanische Beanspruchungen, bei spielsweise 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 posi tives Druckgefälle vorliegt, ist eine Dichtung 14 gegen mög liche Leckageluftströme angeordnet. Diese Dichtung 14 befin det sich zwischen der Führungshülse 12 und dem in der metal lischen 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 zerstörungs freie 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

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), wo bei das Befestigungselement (4) mit seinem Fuß in einer an der metallischen Tragwand (1) befestigten metallischen Halte vorrichtung (5) angeordnet ist und der Kopf des Befestigungs elementes (4) in der Öffnung (6) der Wandplatte (3) ruht, und wobei zwischen der metallischen Tragwand (1) und der kerami schen 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 gekenn zeichnet, daß das Befestigungselement (4) eine in wärmetech nischer Hinsicht optimierte Form aufweist, vorzugsweise eine Einwölbung (8) in der Mitte des Kopfes und abgerundete Quer schnittsübergänge mit großen Radien vom Kopf zum Schaft und vom Schaft zum Fuß.

3. Keramische Auskleidung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schaft des Befestigungselementes (4) von einer geteilten Hülse (15) aus verfestigten, vorgeformten Isolationsmaterial umgeben ist.

4. Keramische Auskleidung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Wandplatte (3) im Bereich der Öffnung (6) in Richtung der metallischen Tragwand (1) eingezogen ist.

5. Keramische Auskleidung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Isolationsschicht (2) aus keramischen Fa sermaterial besteht.

6. Keramische Auskleidung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, 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 gekenn zeichnet, daß die Isolationsschicht (2) im Bereich des auf zunehmenden Befestigungselements (4) eine Bohrung aufweist.

8. Keramische Auskleidung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Haltevorrichtung (5) aus einer längsge teilten Gewindehülse (7) besteht, welche den Fuß des Befe stigungselementes (4) umfaßt, mit einer auf dem Außenge winde 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) an geordneten Federelementen (13).

9. Keramische Auskleidung nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß zwischen der Führungshülse (12) und dem Füh rungsring (11) eine Dichtung (14) angeordnet ist.