DE29723378U1

DE29723378U1 - Ceramic component for a heat protection layer as well as a heat protection layer

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Publication number: DE29723378U1
Application number: DE29723378U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1996-07-24
Filing date: 1997-07-17
Publication date: 1998-08-13
Anticipated expiration: 2007-07-18

Description

GR 96 G 354 9 DEGR 96 G 354 9 EN

BeschreibungDescription

Keramisches Bauteil für eine Wärmeschutzschicht sowie Wärmeschutzschicht Ceramic component for a thermal insulation layer and thermal insulation layer

Die Erfindung betrifft ein keramisches Bauteil für eine Wärmeschutzschicht, insbesondere zum Schutz einer Wand gegenüber heißen Gasen. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Wärmeschutzschicht aus einer Vielzahl keramischer Bauteile.The invention relates to a ceramic component for a thermal protection layer, in particular for protecting a wall against hot gases. The invention also relates to a thermal protection layer made of a plurality of ceramic components.

In der EP 0 419 487 Bl ist eine Hitzeschildanordnung, insbesondere zur Verwendung in einer Gasturbinenanlage, beschrieben, welche aus einzelnen keramischen Elementen aufgebaut ist. Diese Elemente besitzen die Form eines Pilzes mit einem Hutteil und einem jeweiligen Schaftteil. An dem Schaftteil sind sie jeweils mittels einer Klammer an einer Tragstruktur befestigt. Die Hutteile haben die Form ebener oder gekrümmter Vielecke mit geraden oder gebogenen Randlinien und überdecken die Tragstruktur bis auf Dehnungsspalte vollständig. Hierdurch wird allenfalls in geringem Maße Kühlluft zur Verhinderung des Eindringens von heißem Fluid in den Zwischenraum zwischen den jeweiligen Hutteilen und der insbesondere metallischen Tragstruktur benötigt. Die Klammer zur Halterung des Schaftteiles ist mit der Tragstruktur fest verbunden, insbesondere verschraubt.EP 0 419 487 B1 describes a heat shield arrangement, in particular for use in a gas turbine system, which is made up of individual ceramic elements. These elements have the shape of a mushroom with a hat part and a respective shaft part. They are each attached to the shaft part by means of a clamp on a support structure. The hat parts have the shape of flat or curved polygons with straight or curved edge lines and completely cover the support structure except for expansion gaps. As a result, only a small amount of cooling air is required to prevent hot fluid from penetrating the space between the respective hat parts and the support structure, which is in particular metallic. The clamp for holding the shaft part is firmly connected to the support structure, in particular screwed.

Die GB 22 11 285 A betrifft eine Brennkammer, insbesondere für ein Gasturbinentriebwerk. Die Brennkammer weist eine zylindrische Wand auf, deren radial nach innen gewandte Oberfläche durch eine aus einem keramischen Material gebildete Wand ausgekleidet ist. Das keramische Material umfaßt eine Mehrzahl diskreter, aneinandergrenzender keramischer Ziegel. Die Ziegel sind so aneinander angeordnet, daß sie gegenseitig eine Bewegung in radialer Richtung verhindern. Die Ziegel haben jeweils eine längliche Ausdehnung, wobei die längliche Ausdehnung parallel zu der Zylinderachse der zylindrischen Wand gerichtet ist. Die keramischen Ziegel sind vorzugsweiseGB 22 11 285 A relates to a combustion chamber, in particular for a gas turbine engine. The combustion chamber has a cylindrical wall, the radially inwardly facing surface of which is lined by a wall made of a ceramic material. The ceramic material comprises a plurality of discrete, adjacent ceramic bricks. The bricks are arranged next to one another in such a way that they mutually prevent movement in the radial direction. The bricks each have an elongated extension, the elongated extension being directed parallel to the cylinder axis of the cylindrical wall. The ceramic bricks are preferably

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in zwei Lagen radial nach innen übereinandergelegt. Sie weisen in einer Ebene senkrecht zur Zylinderachse einen fünfekkigen Querschnitt auf.in two layers, one on top of the other, radially inwards. They have a pentagonal cross-section in a plane perpendicular to the cylinder axis.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauteil für eine Wärmeschutzschicht anzugeben, welches einen hohen Wärmedämmeffekt gewährleistet und einen geringen Kühlfluidbedarf aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Wärmeschutzschicht, insbesondere für die Wand einer mit Heißgas beaufschlagbaren Komponente einer Verbrennungsmaschine, beispielsweise einer Gasturbinenanlage, anzugeben, die einfach herstellbar ist und eine hohe Wärmedämmwirkung besitzt.The object of the invention is to provide a component for a thermal protection layer which ensures a high thermal insulation effect and has a low cooling fluid requirement. A further object of the invention is to provide a thermal protection layer, in particular for the wall of a component of a combustion engine that can be exposed to hot gas, for example a gas turbine system, which is easy to produce and has a high thermal insulation effect.

Erfindungsgemäß wird die auf ein Bauteil gerichtete Aufgabe durch ein solches gelöst, welches aus einer Keramik besteht und entlang einer Längsachse von einem Fußendbereich zur Anordnung an einer Wand zu einem Kopfendbereich gerichtet ist und in Richtung der Längsachse eine Längsausdehnung aufweist, die größer als ein maximaler Durchmesser senkrecht zur Langsachse ist, wobei der Kopfendbereich eine einer hohen Temperatur aussetzbare Stirnfläche aufweist. Das Bauteil ist mithin stabförmig entlang der Längsachse gerichtet und für eine Anordnung an einer Wand vorgesehen, bei der die Längsachse im wesentlichen senkrecht auf der Wand steht. In Richtung dieser Längsachse weist das Bauteil eine größere Ausdehnung auf als in einer Querebene senkrecht zu der Längsachse.According to the invention, the task directed at a component is solved by such a component which consists of a ceramic and is directed along a longitudinal axis from a foot end region for arrangement on a wall to a head end region and has a longitudinal extension in the direction of the longitudinal axis that is greater than a maximum diameter perpendicular to the longitudinal axis, wherein the head end region has an end face that can be exposed to a high temperature. The component is therefore rod-shaped and directed along the longitudinal axis and is intended for arrangement on a wall in which the longitudinal axis is essentially perpendicular to the wall. In the direction of this longitudinal axis, the component has a greater extension than in a transverse plane perpendicular to the longitudinal axis.

Durch Verwendung eines keramischen Bauteils für eine Wärmeschutzschicht wird eine hohe Wärmedämmwirkung in Richtung der Längsachse erzielt. Das Bauteil ist aufgrund seiner Längsorientierung lediglich an einer kleinen Stirnfläche unmittelbar einem heißen Fluid, beipielsweise aus einem Verbrennungsprozeß, ausgesetzt. Durch die unterschiedlichen Abmessungen in Längs- und Querrichtung werden stationäre sowie instationäre Wärmespannungen klein gehalten. Dies beruht insbesondere auf dem Effekt, daß bei kleiner Querausdehnung fast keine Temperaturdifferenzen in Querrichtung auftreten. Temperatur-By using a ceramic component for a thermal protection layer, a high thermal insulation effect is achieved in the direction of the longitudinal axis. Due to its longitudinal orientation, the component is only directly exposed to a hot fluid, for example from a combustion process, on a small front surface. Due to the different dimensions in the longitudinal and transverse directions, stationary and non-stationary thermal stresses are kept small. This is based in particular on the effect that with a small transverse expansion, almost no temperature differences occur in the transverse direction. Temperature-

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differenzen, die zu Wärmespannungen führen können, treten somit im wesentlichen nur in Längsrichtung auf. Die Isothermen verlaufen somit senkrecht zur Längsachse und haben eine annähernd lineare Form. Mit einer aus einer Mehrzahl solcher (stiftförmiger, stabförmiger) Bauteile hergestellten Wärmeschutzschicht ist somit eine wirksame Isolierung einer metallischen Wand gegenüber einem heißen Fluid gewährleistet.Differences that can lead to thermal stresses therefore only occur in the longitudinal direction. The isotherms therefore run perpendicular to the longitudinal axis and have an almost linear shape. A thermal protection layer made from a number of such (pin-shaped, rod-shaped) components thus ensures effective insulation of a metal wall against a hot fluid.

Zur Erreichung einer im wesentlichen parallel zur Längsachse gerichteten thermischen Belastung des Bauteils ist die Längsausdehnung vorzugsweise mehr als l,5mal so groß wie die Querausdehnung. Sie beträgt vorzugsweise etwa das Zweifache der Querausdehnung. Der maximale Durchmesser senkrecht zur Längsachse liegt vorzugsweise zwischen 30 mm und 80 mm, insbesondere etwa bei 50 mm.In order to achieve a thermal load on the component that is directed essentially parallel to the longitudinal axis, the longitudinal expansion is preferably more than 1.5 times as large as the transverse expansion. It is preferably about twice the transverse expansion. The maximum diameter perpendicular to the longitudinal axis is preferably between 30 mm and 80 mm, in particular about 50 mm.

Für eine Befestigung gleichartiger Bauteile untereinander weist jedes Bauteil vorzugsweise zumindest einen Vorsprung und eine Nut auf, wodurch eine Wärmeschutzschicht nach dem Nut-Federsystem aufbaubar ist. Ein Vorsprung eines Bauteils ragt dabei vorzugsweise in eine Nut eines benachbarten Bauteils hinein. Nut und Vorsprung sind vorzugsweise im wesentlichen senkrecht zur Längsachse gerichtet, so daß benachbarte Bauteile in Richtung der Längsachse (im wesentlichen senkrecht zur Wand) gegeneinander im wesentlichen unverschieblich sind. Für den Aufbau einer Wärmeschutzschicht ist somit lediglich eine Halterung eines Bauteils im Hinblick auf eine absolute Verschiebung in Richtung der Längsachse, d.h. im wesentlichen senkrecht zur Wand, erforderlich. Eine relative Verschieblichkeit benachbarter Bauteile ist durch das Nut-Federsystem bereits unterbunden. Weiterhin bewirkt das Nut-Federsystem eine Unterbindung der Strömung eines insbesondere heißen Fluides in Richtung der Längsachse. Für ein solches heißes Fluid stellt ein in eine Nut hineinragender Vorsprung eine Drosselstelle dar. Hierdurch wird ein Durchströmen von heißem Gas durch eine aus den Bauteilen aufgebaute Wärmeschutzschicht in Richtung der Längsachse hindurch wirksam un-To attach similar components to one another, each component preferably has at least one projection and one groove, whereby a thermal protection layer can be built up using the tongue and groove system. A projection of one component preferably extends into a groove of an adjacent component. The groove and projection are preferably directed essentially perpendicular to the longitudinal axis, so that adjacent components are essentially immovable relative to one another in the direction of the longitudinal axis (essentially perpendicular to the wall). To build up a thermal protection layer, all that is required is a mounting of a component with regard to an absolute displacement in the direction of the longitudinal axis, i.e. essentially perpendicular to the wall. Relative displacement of adjacent components is already prevented by the tongue and groove system. Furthermore, the tongue and groove system prevents the flow of a particularly hot fluid in the direction of the longitudinal axis. For such a hot fluid, a projection protruding into a groove represents a throttling point. This effectively prevents hot gas from flowing through a heat protection layer made up of the components in the direction of the longitudinal axis.

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terbunden. Darüber hinaus bewirkt das Nut-Federsystem, daß sich gegebenenfalls ablösende Keramikpartikelchen an einer Bewegung in Richtung der Längsachse gehindert werden. Hierdurch wird wirksam verhindert, daß solche Keramikpartikelchen in ein an der Wärmeschutzschicht vorbeiströmendes heißes Fluid hineingelangen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das heiße Fluid zum Antrieb eines Kompressors, eines Turboladers oder einer Gasturbine verwendet wird, da solche Keramikpartikel eine Beschädigung entsprechender rotierender Teile bewirken könnten.In addition, the tongue and groove system prevents any ceramic particles that may become detached from moving in the direction of the longitudinal axis. This effectively prevents such ceramic particles from getting into a hot fluid flowing past the heat protection layer. This is particularly advantageous if the hot fluid is used to drive a compressor, a turbocharger or a gas turbine, since such ceramic particles could cause damage to the corresponding rotating parts.

Das Bauteil hat in der Querebene vorzugsweise einen vieleckigen Querschnitt. Hierdurch hat es eine sehr kompakte Form, die eine einfache Herstellbarkeit gewährleistet. Insbesondere bei einem sechseckigen Querschnitt ist eine Wabenstruktur erreicht, die eine zusätzliche Drosselung und damit Verminderung der Einströmung von heißem Gas in Zwischenräume zwischen benachbarte Bauteile bewirkt. Durch eine sechseckige Form ist bei Wahl entsprechender Toleranzen eine Wärmeschutzschicht aus einer Vielzahl gleichartiger keramischer Bauteile gewährleistet. Mithin können durch gleichartige Bauteile mit einem sechseckigen Querschnitt sowohl konvexe als auch konkave Wände mit einer Wärmeschutzschicht verkleidet werden.The component preferably has a polygonal cross-section in the transverse plane. This gives it a very compact shape, which ensures that it is easy to manufacture. A hexagonal cross-section in particular creates a honeycomb structure, which causes additional throttling and thus reduces the flow of hot gas into the gaps between adjacent components. A hexagonal shape ensures a thermal insulation layer made of a large number of similar ceramic components if the appropriate tolerances are selected. This means that similar components with a hexagonal cross-section can be used to cover both convex and concave walls with a thermal insulation layer.

Jedes Bauteil hat vorzugsweise an einer in Richtung der Längsachse verlaufenden Oberfläche eine Ausnehmung, in die eine Halterung zur Unterbindung einer Längsverschieblichkeit des Bauteils, d.h. senkrecht zur Wand, eingreifen kann. Das Bauteil besteht vorzugsweise aus einer Keramik hoher Festig-Each component preferably has a recess on a surface running in the direction of the longitudinal axis, into which a holder can engage to prevent longitudinal displacement of the component, i.e. perpendicular to the wall. The component preferably consists of a high-strength ceramic.

30' keit, die insbesondere aus einem gemahlenen und gepreßten Pulver besteht, welches bei einer hohen Temperatur gebrannt wird. Als Keramik eignet sich eine Feinkeramik, insbesondere eine sogenannte Ingenieurkeramik (Strukturkeramik, Konstruktionskeramik) , beispielsweise mit Siliziumkarbid, Siliziumnitrid oder Mullit. Eine Ingenieurkeramik besteht häufig aus synthetischen Rohstoffen, um eine vorgegebene Reinheit und Korngröße zu erzielen. Ingenieurkeramiken sind für jeweils30' ity, which consists in particular of a ground and pressed powder which is fired at a high temperature. Fine ceramics are suitable as ceramics, in particular so-called engineering ceramics (structural ceramics, construction ceramics), for example with silicon carbide, silicon nitride or mullite. Engineering ceramics often consist of synthetic raw materials in order to achieve a specified purity and grain size. Engineering ceramics are designed for each

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bestimmte strukturelle Zwecke ausgelegt, beispielsweise hinsichtlich mechanischer, thermischer, chemischer oder abrasiver Belastungen mit Anwendungen z.B. für Gleitlager, Dichtungen oder als Schmierstoffe.
5designed for specific structural purposes, for example with regard to mechanical, thermal, chemical or abrasive loads with applications e.g. for plain bearings, seals or as lubricants.
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Die auf eine Wärmeschutzschicht gerichtete Aufgabe wird durch eine Wärmeschutzschicht an einer Wand, insbesondere einer mit Heißgas beaufschlagbaren Komponente einer Verbrennungsmaschine, gelöst, die eine Vielzahl keramischer Bauteile aufweist, welche Bauteile entlang einer Längsachse stabförmig gerichtet und mit der Längsachse im wesentlichen senkrecht zur Wand angeordnet sind. Vorzugsweise sind zumindest zwei benachbarte Bauteile durch eine gemeinsame Halterung an der Wand gehaltert. Durch eine gemeinsame Halterung ist selbst bei Verwendung eines keramischen Bauteils, welches eine größere Längs- als Querausdehnung aufweist, eine einfache und kostensparende Herstellung der Wärmeschutzschicht gewährleistet. Die Wärmeschutzschicht kann an eine Wand einer Tragstruktur, beispielsweise einer Brennkammer¹einer Gasturbinenanlage, angeordnet sein, wobei die Tragstruktur aus einem Metall besteht, welches geschweißt oder gegossen ist. Vorzugsweise ist das Metall ein austenitischer Stahl, da dieser selbst eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweist, so daß selbst bei einem teilweise Versagen der Wärmeschutzschicht 5 ein Versagen der Wand vermieden ist.The task directed at a thermal protection layer is solved by a thermal protection layer on a wall, in particular a component of a combustion engine that can be exposed to hot gas, which has a large number of ceramic components, which components are aligned in a rod-like manner along a longitudinal axis and are arranged with the longitudinal axis essentially perpendicular to the wall. Preferably, at least two adjacent components are held on the wall by a common holder. A common holder ensures simple and cost-effective production of the thermal protection layer even when using a ceramic component that has a larger longitudinal than transverse dimension. The thermal protection layer can be arranged on a wall of a supporting structure, for example a combustion chamber ¹ of a gas turbine system, wherein the supporting structure consists of a metal that is welded or cast. The metal is preferably an austenitic steel, since this itself has a high temperature resistance, so that even if the thermal protection layer 5 partially fails, failure of the wall is avoided.

Die Halterung weist vorzugsweise ein Kopfteil, insbesondere ein zylinderförmiges Kopfteil auf, das jeweils in eine Ausnehmung zwischen benachbarten Bauteilen eingreift. Die Ausnehmungen sind in ihrer Form dem Kopfteil der Halterung angepaßt. Die Halterung weist vorzugsweise einen Kühlkanal auf, der bis in das Kopfteil reicht und gegebenenfalls in die Ausnehmung mündet. Durch den Kühlkanal ist in die insbesondere metallische Halterung und in die Ausnehmung hinein Kühlfluid, insbesondere Kühlluft, führbar. Dadurch ist eine Kühlung der Halterung an einer Berührungsstelle zu den keramischen Bauteilen erreicht. Die Kühlluft zur Kühlung der Halterung be-The holder preferably has a head part, in particular a cylindrical head part, which engages in a recess between adjacent components. The recesses are adapted in their shape to the head part of the holder. The holder preferably has a cooling channel, which extends into the head part and optionally opens into the recess. Cooling fluid, in particular cooling air, can be guided through the cooling channel into the holder, in particular the metal holder, and into the recess. This achieves cooling of the holder at a point of contact with the ceramic components. The cooling air for cooling the holder

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wirkt bei einem Ausströmen aus dem Kühlkanal auch eine Sperrung der Wärmeschutzschicht gegenüber dem heißen Fluid. Dieses heiße Fluid wird somit von der Kühlluft zumindest teilweise aus Spalten zwischen benachbarten keramischen Bauteilen verdrängt.If the fluid escapes from the cooling channel, the thermal insulation layer also blocks the hot fluid. This hot fluid is thus at least partially displaced by the cooling air from gaps between neighboring ceramic components.

Die Halterung ist vorzugsweise gegossen und weist beispielsweise eine Nickel-Basislegierung auf. Zur Erzielung einer hohen Präzision in bezug auf die Geometrie der Halterung, wird diese vorzugsweise in einem Feingußverfahren hergestellt, bei dem beispielsweise ein Wachsmodell der Halterung in eine Mischung aus Harz und Keramik getunkt wird. Bei Erreichen einer hinreichenden Schichtdicke der Mischung aus Keramik und Harz an der Oberfläche des Wachsmodells wird diese Misch-Struktur gebrannt. Die nach dem Brand entstehende Hohlform dient als verlorene Schalung zum Guß der Halterung. Gegenüber einem herkömmlichen Sandgußverfahren ist die geometrische Form der Halterung in engen Toleranzen erzielbar. Nach einem ähnlichen Verfahren kann auch das keramische Bauteil als Feinguß hergestellt sein.The holder is preferably cast and has, for example, a nickel-based alloy. To achieve a high level of precision in relation to the geometry of the holder, it is preferably manufactured using an investment casting process in which, for example, a wax model of the holder is dipped into a mixture of resin and ceramic. When a sufficient layer thickness of the mixture of ceramic and resin is reached on the surface of the wax model, this mixed structure is fired. The hollow form created after firing serves as a lost formwork for casting the holder. Compared to a conventional sand casting process, the geometric shape of the holder can be achieved within narrow tolerances. The ceramic component can also be manufactured as an investment casting using a similar process.

Die Befestigung der einzelnen Bauteile der Wärmeschutzschicht an der Wand erfolgt vorzugsweise elastisch, indem die Halterung elastisch gegenüber der Wand befestigt ist. Hierzu ist die Halterung vorzugsweise als hohler Stift ausgeführt, welcher durch die Wand hindurchragt und verschraubt ist, wobei zwischen der der Verschraubung dienenden Mutter bzw. einer Unterlegscheibe und der Wand eine elastische Feder, insbesondere eine Tellerfeder, angeordnet ist. Durch die elastische Halterung sind die auf die Bauteile ausgeübten mechanischen Kräfte selbst bei hohen Temperaturschwankungen gering gehalten, so daß ein Bruch der keramischen Bauteile sicher vermieden ist, auch bei auftretenden Druckschwingungen.The individual components of the thermal insulation layer are preferably attached to the wall elastically, in that the bracket is elastically attached to the wall. For this purpose, the bracket is preferably designed as a hollow pin which protrudes through the wall and is screwed in, with an elastic spring, in particular a disc spring, being arranged between the nut or washer used for the screw connection and the wall. The elastic bracket keeps the mechanical forces exerted on the components low even in the event of large temperature fluctuations, so that breakage of the ceramic components is reliably avoided, even in the event of pressure oscillations.

Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles werden das Bauteil und die Wärmeschutzschicht näher er-The component and the heat protection layer are described in more detail using the example shown in the drawing.

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läutert. Es zeigen schematisch und in nicht maßstäblicher DarstellungThey show schematically and in a non-scale representation

FIG 1 einen Ausschnitt eines Längsschnittes durch eine Gasturbinenbrennkammer mit einer Tragstruktur und einer Wärmeschutzschicht sowie
FIG 2 eine Draufsicht auf die Wärmeschutzschicht.FIG 1 shows a section of a longitudinal section through a gas turbine combustion chamber with a supporting structure and a thermal insulation layer and
FIG 2 a plan view of the thermal insulation layer.

In FIG 1 ist schematisch ein Ausschnitt eines Längsschnittes durch eine Gasturbinenbrennkammer dargestellt. Die Brennkammer weist eine Tragstruktur mit einer metallischen Wand 10 auf, auf der eine Wärmeschutzschicht 6 aus keramischen stabförmigen Bauteilen 1 angeordnet ist. Die keramischen Bauteile 1 sind jeweils entlang einer Längsachse 2 von einem Fußendbereich 24 zu einem Kopfendbereich 25 gerichtet und haben in Richtung dieser Längsachse eine größere Abmessung als in einer Querebene 3 senkrecht zur Längsachse 2. Die Bauteile 1 sind mit einer Stirnfläche 15 des Kopfendbereichs 25 einem Raumbereich zugewandt, in dem ein Heißgas 13 strömt.FIG 1 shows a schematic section of a longitudinal section through a gas turbine combustion chamber. The combustion chamber has a support structure with a metallic wall 10 on which a heat protection layer 6 made of ceramic rod-shaped components 1 is arranged. The ceramic components 1 are each directed along a longitudinal axis 2 from a foot end region 24 to a head end region 25 and have a larger dimension in the direction of this longitudinal axis than in a transverse plane 3 perpendicular to the longitudinal axis 2. The components 1 are facing a spatial region with an end face 15 of the head end region 25 in which a hot gas 13 flows.

Die Längsachse 2 steht im wesentlichen senkrecht auf der Wand 10, wobei die Bauteile 1 mit dem Fußendbereich 24 jeweils an die Wand 10 angrenzen. Die Bauteile 1 haben in der Querebene 3 einen Querschnitt 7, welcher sechseckig ist (siehe FIG 2). Jedes Bauteil 1 hat senkrecht zur Längsachse 2 einen maximalen Durchmesser D, welcher geringer ist als die Ausdehnung des Bauteils 1 entlang der Längsachse (siehe FIG 2). Jedes Bauteil 1 hat an einer Seitenfläche 20, vorzugsweise an drei Seitenflächen 20, welche parallel zur Längsachse 2 verlaufen, je eine Nut 4 sowie einen Vorsprung 5. Nut 4 und Vorsprung 5 sind jeweils im wesentlichen senkrecht zur Längsachse 2 gerichtet. Benachbarte Bauteile 1 sind unmittelbar, gegebenenfalls unter Beabstandung durch einen Spalt 19, aneinander angeordnet, wobei ein Vorsprung 5 eines Bauteils 1 in eine zugeordnete Nut 4 eines benachbarten Bauteils 1 eingreift. Der der Wand 10 zugeordnete Teilbereich 21 jedes Bauteils 1 ist schwalbenschwanzartig ausgebildet. Hierdurch ist in der Nähe der Wand 10 eine im wesentlichen zylinderförmige AusnehmungThe longitudinal axis 2 is essentially perpendicular to the wall 10, with the components 1 each adjoining the wall 10 with the foot end region 24. The components 1 have a cross-section 7 in the transverse plane 3, which is hexagonal (see FIG. 2). Each component 1 has a maximum diameter D perpendicular to the longitudinal axis 2, which is smaller than the extent of the component 1 along the longitudinal axis (see FIG. 2). Each component 1 has a groove 4 and a projection 5 on one side surface 20, preferably on three side surfaces 20, which run parallel to the longitudinal axis 2. The groove 4 and projection 5 are each directed essentially perpendicular to the longitudinal axis 2. Adjacent components 1 are arranged directly next to one another, possibly spaced apart by a gap 19, with a projection 5 of a component 1 engaging in an associated groove 4 of an adjacent component 1. The partial area 21 of each component 1 associated with the wall 10 is designed in the form of a dovetail. This creates an essentially cylindrical recess in the vicinity of the wall 10.

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an jedem Bauteil 1 gebildet. Zwei an einer jeweiligen Kante aneinandergrenzende Bauteile 1 bilden somit in dem Teilbereich 21 eine im wesentlichen zylinderförmige Ausnehmung 8, in der ein zylinderförmiger Kopfteil 11 einer Halterung 9 angeordnet ist. Die Halterung 9 ist ein metallisches stiftförmiges Gußelement, welches entlang einer Längsachse 2a gerichtet ist. Die Halterung 9 weist einen Stiel 22 auf, der durch die Wand 10 hindurchgeführt ist und der an der dem Heißgas zugewandten Seite der Wand 10 in den Kopfteil 11 übergeht.formed on each component 1. Two components 1 adjoining one another at a respective edge thus form an essentially cylindrical recess 8 in the partial area 21, in which a cylindrical head part 11 of a holder 9 is arranged. The holder 9 is a metallic pin-shaped cast element which is directed along a longitudinal axis 2a. The holder 9 has a stem 22 which is guided through the wall 10 and which merges into the head part 11 on the side of the wall 10 facing the hot gas.

Kopfteil 11 sowie Stiel 22 sind hohl ausgeführt und weisen einen Kühlkanal 12 zur Führung von Kühlluft 14 auf. Diese Kühlluft 14 ist dem Stiel 21 an der dem Heißgas 13 abgewandten Seite der Wand 10 zuführbar. Der Kopfteil 11 weist in der Ausnehmung 8 eine Öffnung 23 auf, aus der Kühlluft 14 in die Ausnehmung 8 sowie gegebenenfalls einen daran angrenzenden Spalt 19 strömen kann. Die Ausnehmung 8 ist beispielhaft in FIG 2 punktiert dargestellt. An der dem Heißgas 13 abgewandten Seite der Wand 10 ist der Stiel 22 über eine Schraubenmutter 16, eine Unterlegscheibe 17 und einem zwischen der Wand 10 und der Unterlegscheibe 17 angeordneten Tellerfederpaket 18 befestigt. Durch das Nut-Federsystem ist die Wärmeschutzschicht 6 weitgehend für Heißgas 13 undurchlässig aufgebaut. Die Schutzschicht 6 ist durch die im Feingußverfahren hergestellten Halterungen 9 elastisch an der Wand 10 befestigt, so daß die mechanischen Kräfte, welche durch die Halterungen 9 auf die keramischen Bauteile 1 übertragen werden, für eine Befestigung ausreichend, aber zur Vermeidung einer Beschädigung der keramischen Struktur hinreichend klein sind. Der sechseckige Querschnitt 7 der Bauteile 1 erlaubt den Aufbau einer Wärmeschutzschicht 6 aus gleichartigen Bauteilen 1, selbst dann, wenn die Wand 10 sowohl konkav als auch konvex (z.B. sphärisch) gebogen ist. Sowohl der sechseckige Querschnitt 7, als auch das Ineinanderwirken der Nuten 4 und der Vorsprünge 5 sowie die als Sperrfluid wirkende Kühlluft 14 zur Kühlung der Halterungen 9 verhindern wirksam ein Eindringen von Heißgas 13 in die Wärmeschutzschicht 6.The head part 11 and the stem 22 are hollow and have a cooling channel 12 for guiding cooling air 14. This cooling air 14 can be fed to the stem 21 on the side of the wall 10 facing away from the hot gas 13. The head part 11 has an opening 23 in the recess 8, from which cooling air 14 can flow into the recess 8 and possibly into an adjacent gap 19. The recess 8 is shown in dotted lines in FIG. 2 as an example. On the side of the wall 10 facing away from the hot gas 13, the stem 22 is attached via a screw nut 16, a washer 17 and a disc spring assembly 18 arranged between the wall 10 and the washer 17. The tongue and groove system makes the heat protection layer 6 largely impermeable to hot gas 13. The protective layer 6 is elastically attached to the wall 10 by the brackets 9 manufactured using the investment casting process, so that the mechanical forces transmitted to the ceramic components 1 by the brackets 9 are sufficient for fastening, but sufficiently small to avoid damage to the ceramic structure. The hexagonal cross section 7 of the components 1 allows the construction of a thermal protection layer 6 from similar components 1, even if the wall 10 is curved both concavely and convexly (e.g. spherically). Both the hexagonal cross section 7 and the interaction of the grooves 4 and the projections 5 as well as the cooling air 14 acting as a barrier fluid for cooling the brackets 9 effectively prevent hot gas 13 from penetrating the thermal protection layer 6.

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Die Erfindung zeichnet sich durch eine Wärmeschutzschicht aus, die aus keramischen Bauteilen aufgebaut ist, welche eine größere Längs- als Querausdehnung aufweisen. Durch diesen stabförmigen Aufbau der Bauteile ist selbst bei Verwendung gleichartiger Bauteile eine Wärmeschutzschicht an einer sowohl konvex (z.B. sphärisch) als auch konkav gekrümmten Wand ermöglicht. Diese Wärmeschutzschicht hat eine hohe Wärmedämmwirkung und eine hohe Sperrwirkung gegenüber dem Eindringen von Heißgas. Um eine wirksame Isolierung einer metallischen Wand zu gewährleisten, bedarf es daher allenfalls einer geringen Menge an als Sperrfluid wirkender Kühlluft. Als Keramik für die Bauteile eignen sich auch gepreßte und gebrannte siliziumcarbidhaltige oder siliziumnitridhaltige Pulvermaterialien, die eine hohe Festigkeit und Wärmebeständigkeit aufweisen. The invention is characterized by a heat protection layer that is made up of ceramic components that have a larger longitudinal than transverse extension. This rod-shaped structure of the components makes it possible to have a heat protection layer on a wall that is both convex (e.g. spherical) and concavely curved, even when using similar components. This heat protection layer has a high thermal insulation effect and a high barrier effect against the penetration of hot gas. In order to ensure effective insulation of a metal wall, only a small amount of cooling air acting as a barrier fluid is required. Pressed and fired powder materials containing silicon carbide or silicon nitride, which have high strength and heat resistance, are also suitable as ceramics for the components.

Claims

GR 96 G 3549 DE 10 Protection claims

1. Ceramic component (1) for a heat protection layer (6) of a wall (10), which is directed along a longitudinal axis (2) from a foot end region (24) for arrangement on the wall (10) to a head end region (25) and has a longitudinal extension in the direction of the longitudinal axis (2) which is greater than a maximum diameter (D) perpendicular to the longitudinal axis (2), wherein the head end region (25) has a front surface (15) which can be exposed to a high temperature.

2. Component (1) according to claim 1, in which the longitudinal extent is more than 1.5 times, in particular twice, the transverse extent.

3. Component (1) according to claim 1 or 2, which has at least one groove (4) and one projection (5) for constructing a heat protection layer (6) according to the tongue and groove system.

4. Component (1) according to one of the preceding claims, which has a polygonal, in particular hexagonal, cross-section (7) in a transverse plane (3) perpendicular to the longitudinal axis (2).

5. Component (1) according to one of the preceding claims, which has at least one recess (8) for a holder (9) to prevent a longitudinal displacement in the direction of the longitudinal axis (2).

6. Component (1) according to one of the preceding claims, which consists of a fine ceramic, in particular an engineering ceramic.

7. Component (1) according to one of the preceding claims, wherein the maximum diameter (D) perpendicular to the longitudinal axis (2) is 30 mm to 80 mm, in particular approximately 50 mm.

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8. Thermal protection layer (6) on a wall (10), in particular a component of a combustion engine that can be exposed to hot gas, with a plurality of ceramic components (1), in particular according to one of the preceding claims, which components (1) are aligned in a rod-like manner along a longitudinal axis (2) and are arranged with the longitudinal axis (2) essentially perpendicular to the wall (10).

9. Heat protection layer (6) according to claim 8, in which at least two adjacent components (1) are connected by a common holder

(9) are mounted on the wall (10).

10. Thermal protection layer (6) according to claim 8 or 9, in which the holder (9) has a head part (11) which engages in a recess (8) of adjacent components (1).

11. Thermal protection layer (6) according to claim 10, wherein the holder (9) has a cooling channel (12) which extends into the head part (11).

12. Thermal protection layer (6) according to claim 11, wherein the cooling channel (12) opens into the recess (8).

13. Thermal protection layer (6) according to one of claims 8 to 12, in which the holder (9) is directed along a longitudinal axis (2a) and is connected to and relative to the wall (10) so as to be elastically displaceable in the direction of the longitudinal axis (2a).

14. Thermal protection layer (6) according to one of claims 8 to 13, wherein the holder (9) is metallic, in particular cast.