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EP1199520A1 - Hitzeschildstein zur Auskleidung einer Brennkammerwand, Brennkammer sowie Gasturbine - Google Patents

Hitzeschildstein zur Auskleidung einer Brennkammerwand, Brennkammer sowie Gasturbine Download PDF

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Publication number
EP1199520A1
EP1199520A1 EP00122553A EP00122553A EP1199520A1 EP 1199520 A1 EP1199520 A1 EP 1199520A1 EP 00122553 A EP00122553 A EP 00122553A EP 00122553 A EP00122553 A EP 00122553A EP 1199520 A1 EP1199520 A1 EP 1199520A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat shield
side area
hot side
grain size
wall side
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP00122553A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christine Dr. Taut
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP00122553A priority Critical patent/EP1199520A1/de
Priority to US10/399,260 priority patent/US7540155B2/en
Priority to EP01982399A priority patent/EP1327108B1/de
Priority to JP2002536468A priority patent/JP3999654B2/ja
Priority to DE50112458T priority patent/DE50112458D1/de
Priority to PCT/EP2001/011471 priority patent/WO2002033322A1/de
Publication of EP1199520A1 publication Critical patent/EP1199520A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • 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
    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/12—All metal or with adjacent metals
    • Y10T428/12458—All metal or with adjacent metals having composition, density, or hardness gradient

Definitions

  • the invention relates to a heat shield brick, in particular for lining a combustion chamber wall, with a hot one Medium hot side and one opposite the hot side Wall side.
  • the heat shield stone instructs you the hot side area adjacent to the hot side and one the wall side area adjacent to the wall side.
  • the invention further relates to a combustion chamber with an inner one Combustion chamber lining and a gas turbine.
  • a heat shield element for example a heat shield brick or a gas turbine blade, heat-resistant
  • US Pat To coat ZrO 2 it is known, for example, from US Pat To coat ZrO 2 .
  • the ceramic thermal insulation layer is connected via a metallic adhesive layer made of an alloy of the MCrAlY type. Since the ceramic thermal barrier coating is generally a good oxygen ion conductor, the adhesive layer is oxidized during the operational use of the component, which can lead to detachment of the thermal barrier coating from the metallic base body. This limits the period of use of such a component. This is particularly the case with frequent temperature changes which occur when starting and stopping a gas turbine.
  • the high porosity of the layers between 40% and 79% is used to press-cast molten metal into the cavities of the fiber ceramic body to produce a defect-free bond.
  • a piston crown can be produced which has a strongly abruptly changing gradient of metal and ceramic. Due to the low thermal conductivity of the ceramic components, a thermal barrier is formed and the piston is thus insulated. In addition, the ceramic fiber reinforces the piston mechanically and thus improves the thermal shock resistance of the piston.
  • FGM Functional Gradient Material
  • essential FGM is characterized by a continuous composition and / or microstructure gradient leading to a continuous Gradients of the relevant functions, e.g. strength, Thermal conductivity, ductility and the like should lead, by avoiding abrupt changes in properties the resilience and efficiency of the material increased shall be.
  • FGM are said to have positive properties of layer and piece composites in one material.
  • WO 98/53940 is a metal-ceramic gradient material, especially for a heat shield or a gas turbine blade, known.
  • the metal-ceramic gradient material has a metallic base material, a ceramic and one Additive for high-temperature oxidation protection on.
  • the concentration of the metallic base material increases from a metal-rich zone to a ceramic-rich one Zone off, the concentration of the additive having a concentration gradient having.
  • WO 98/53940 is further a method for producing a metal-ceramic gradient material and a product made therefrom, for example a gas turbine blade or a heat protection element a gas turbine.
  • the object of the invention is to provide an improved heat shield brick, especially for lining a combustion chamber wall, specify.
  • the heat shield stone is intended especially with regard to the different requirements on the one hot medium, e.g. a hot gas, removable hot side and the wall side opposite the hot side his.
  • Another object of the invention is a combustion chamber with an internal combustion chamber lining as well as a Specify gas turbine.
  • the first-mentioned object is achieved according to the invention by a heat shield brick, especially for lining one Combustion chamber wall, with one that can be exposed to a hot medium Hot side and a wall side opposite the hot side, and with a hot side area adjacent to the hot side as well as a wall side area adjacent to the wall side, where on average the grain size in the wall side area is smaller than in the hot side area.
  • the invention is based on the observation that the requirements on heat shield stones on the hot side and the Hot side opposite wall side are different.
  • the heat shield stones are for example in combustion chambers of stationary gas turbines used and serve the thermal insulation of the usually metallic combustion chamber wall.
  • a heat shield stone is adjacent with its wall side over a Support structure attached to the combustion chamber wall.
  • the hot side is a hot medium in operation, for example the hot one Combustion gas, exposed. Because of the conditions of use are therefore essential on the hot side of the heat shield stones different requirements than a lot colder wall side. That is in a gas turbine combustion chamber Hot side of the heat shield stones of a high stress through fast flowing, corrosive, hot gases with typical Exposed to temperatures of around 1500 ° C. You also have to due to loading and unloading processes of the gas turbine frequently abrupt temperature changes of up to 1000 ° C can be endured. The lifetimes sought under these conditions the stones are around 50,000 operating hours.
  • the relevant critical areas namely the area adjacent to the hot side Hot side area and the one adjacent to the wall side Wall side area of the heat shield brick in terms of their Structure specifically adapted to the respective requirements.
  • the grain size distribution in the hot side area and in the wall side area to the respective area thermomechanical load adjusted.
  • the grain size in the wall side area is the structural parameter and set in the hot side area, with on average the Grain size in the wall side area is smaller than in the hot side area.
  • the mean is the mean of the grain size the grain size diameter distribution in a particular area Roger that.
  • Grain size structuring of the respective areas is one regarding adapted to the load and compared to conventional ones
  • Heat protection elements improved heat shield stone realized.
  • the requirements of a great thermal shock resistance in the hot side area as well a great strength in the wall side area with each other a heat shield stone can be realized.
  • the heat shield brick can advantageously consist of one consist of uniform material, for example from a refractory material, just setting the different Grain sizes in the wall side area and in the hot side area he follows. Already through the structural adjustment of the heat shield stone the desired result is achieved. But it is also quite possible to have a stone with different ones chemical compositions, for example select a mixture of two or more substances and the structural adjustment in terms of grain size in the wall side area and in the hot side area according to the Make invention in a corresponding manner.
  • the invention is characterized by a high flexibility, because the relevant parameters, namely the grain size distribution or the arithmetic mean of this, a structural parameter is a priori independent of the chemical composition influenceable and thus with regard to the above Requirements is adjustable.
  • the grain size in the wall side region is preferably approximately a factor of 0.4 to 0.9, in particular a factor of 0.6 to 0.8, smaller than in the hot side area.
  • the grain size in the hot side area is adjustable relative to each other in the wall side area, so that one of absolute dimensions of the heat shield stone and the relevant load areas (hot side area, wall side area), is largely independent.
  • are heat shield stones of different geometries, Material thickness or composition, with load range specific Grain size adjustment can be implemented.
  • the average grain size in the hot side area is preferably between about 1.5 mm and 3.5 mm. In particular, The grain size in the hot side area is larger than about 2 mm.
  • the average grain size in the wall side area is preferably between about 0.6 mm and 1.4 mm. In particular, The grain size in the wall side area is smaller than about 1.2 mm.
  • An average grain size is found in the layers set so that from the hot side area to the wall side area the average grain size decreases in layers.
  • each layer is preferably a respective grain size set.
  • This layered gradation of the set Grain sizes in the layers are advantageously carried out gradually, so that impermissibly large changes (jumps) largely avoided and a in the material properties Heat shield stone with adapted to the requirements Properties is achievable.
  • the relevant material properties e.g. Strength, thermal conductivity, ductility and the like, can be avoided by avoiding abrupt Property changes to increase resilience and efficiency of the heat shield stone.
  • can the wall side area and / or the Hot side area a respective layer with corresponding Have grain size adjustment.
  • the number of layers is preferably about 5 to 30, especially about 10 to 20.
  • the exact choice of the number of layers depends on the respective one Case of stress and the required gradual adjustment the grain size from the hot side area to the wall side area from.
  • a powder with a base material for the Heat shield stone for example a ceramic or another Refractory material, one on top of the other to form a bed is poured in layers, and that the filling afterwards correspond to pressed and to the one structural gradient having heat shield stone is sintered, wherein on average the grain size in the wall side area is smaller than in the hot side area and according to the number of layers the grain size is gradually adjusted.
  • the grain size is essentially continuous.
  • a continuous change in grain size is special advantageous because practically any sudden changes in the relevant material properties at the transition avoided from the wall side area to the hot side area become. By a correspondingly high number of layers a quasi-continuous adjustment can be achieved.
  • a continuous or quasi-continuous transition of the grain size distribution can for example in a linear function.
  • Generally can also use higher-order polynomials or others continuous or continuously differentiable functions make this transition to reach. The choice depends on the type of load and the course of the load from the hot side to the wall side of the heat shield brick to meet appropriately and accordingly Apply functions for adjusting the transition.
  • the heat shield brick from at least two fabrics, with a first Fabric and composed of a different second fabric.
  • This configuration also advantageously means heat shield stones, which consist of at least a two-substance mixture, according to the concept of the invention with an area-specific Grain size adjustment can be configured.
  • heat shield stones that consist of more than two chemical compounds are composed with regard to their Grain size distribution can be structured.
  • the concentration of the first substance in the Wall side area larger than in the hot side area.
  • the first fabric with the higher concentration in the wall side area than in the hot side area advantageously has Properties based on the strength in the wall side area increase the strength in the hot side area, because due to the requirements, for example, when using the Heat shield stone in the combustion chamber of a gas turbine, the Wall side area that requires greater strength. In contrast, is the strength requirement in the hot side area of of minor importance compared to thermal shock resistance in the hot side area. Therefore, the concentration of the first fabric in the hot side area compared to the cold side area preferably set lower.
  • the adjustment of the Concentration, d. H. the concentration gradient of the first The substance and / or the second substance is advantageously carried out gradually in corresponding layers or is in adjusted continuously.
  • the first substance is preferably an oxide and the second Substance is a silicate, especially a silicate ceramic.
  • the first substance is preferably aluminum oxide Al 2 O 3 and the second substance aluminum silicate 3Al 2 O 3 • 2SiO 2 .
  • Heat shield stones of a quality which contain aluminum silicate 3Al 2 O 3 .2SiO 2 and aluminum oxide Al 2 O 3 have proven to be particularly well suited for use under the conditions described above.
  • the aluminum oxide can be introduced as corundum (roughly crystalline).
  • Aluminum oxide forms very hard, colorless crystals and has a high melting point at 2050 ° C. It is therefore particularly suitable for high-temperature applications as part of a heat shield brick.
  • Aluminum silicate 3Al 2 O 3 • 2SiO 2 also known as mullite, is formed, for example, by burning (heating) shaped, moist clay, possibly with additions of quartz sand and feldspar, until sintering or melting.
  • Heat shield stones, which have at least aluminum oxide and aluminum silicate are easily adaptable with regard to the grain size in the hot side area and in the wall side area and with regard to the concentration proportions of the two substances.
  • the mullite content can be compared to the aluminum oxide content be less in the wall side area than in Hot-side region.
  • the mullite portion can preferably be in the wall side region be significantly smaller than the aluminum oxide content.
  • the aluminum oxide content in the wall side area the dominant part in the composition of the Heat shield stone.
  • the wall side area can be further preferred predominantly made of aluminum oxide, particularly practical consist exclusively of aluminum oxide. More preferred the mullite content is greater than that in the hot side area Alumina content.
  • the mullite content is so much larger than the alumina content, that especially the mullite portion is the dominant component of the heat shield brick is in the hot side area.
  • the The hot side area is made almost entirely of mullite.
  • one according to the above statements preferably designed heat shield brick, with a dominant Mullite content in the hot side area and a dominant Alumina content in the wall side area, high strength in the wall side area with high thermal shock resistance in the hot side area.
  • the first is Fabric a ceramic and the second fabric a metal.
  • metal heat shield stones as for example in WO 98/53940 a metal-ceramic gradient material are described, with regard to a grain size adjustment specific to the load range be improved.
  • the concept of the invention is consequently on a variety of different chemical compositions of heat shield stones applicable.
  • the object directed to a combustion chamber is achieved according to the invention solved by a combustion chamber with an inner combustion chamber lining, the heat shield stones according to the above Has designs.
  • the object directed to a gas turbine is achieved according to the invention solved by a gas turbine with such heat shield stones having combustion chamber.
  • the heat shield brick 1 shows a perspective view of a heat shield brick 1 shown.
  • the heat shield brick 1 has a cuboid shape Geometry on, with a hot side 3 and one of the hot side opposite wall side 5.
  • On the hot side 3 adjoins a hot side area 7.
  • Bordered on wall side 5 a wall side area 9.
  • the hot side area 7 and the Wall side area 9 each extend from the hot side 3 or the wall side 5 into the interior of the cuboid heat shield brick 1.
  • the material from which the heat shield brick 1 is composed for example a refractory ceramic, points in the wall side area 9 and in the hot side area 7 a respective grain size distribution.
  • the Grain size distribution set so that the grain size on average D is smaller in the wall side area 9 than in the hot side area 7.
  • This structural design of the heat shield brick 1 is the thermomechanical requirements adjusted to specific areas. Especially when used the heat shield brick 1 in a combustion chamber, for example a combustion chamber of a gas turbine are the requirements to the heat shield brick 1 in the hot side area 7 and the wall side area 9 different. With the targeted Grain size adjustment according to the invention can partially competing hot side requirements 7 and in the wall side area 9 equally largely fulfilled and compared to conventionally designed heat shield stones 1 significant improvements can be achieved. This is for example in the wall side area 9 high strength and in the hot side area 9 a special resistance to high Thermal stresses, temperature and temperature changes (Thermal shock resistance) reached. The heat shield stone 1 is therefore for high temperature applications and for one Exposure to a corrosive, hot medium, for example a hot gas, with temperatures up to 1500 ° C, designed.
  • FIGS. 2 and 3 In order to illustrate the different grain sizes in the hot side area 7 and in the cold side area 9, details II and III are respectively shown in an enlarged illustration in FIGS. 2 and 3.
  • the details X1, X2 are enlarged by approximately the same factor compared to the illustration in FIG. 1.
  • 2 shows the detail II, ie an enlarged section of the hot side area 7 of the heat shield brick 1.
  • the hot side area 7 has a grain structure with a large number of grains 21, 23 adjoining one another.
  • the ensemble of a large number of grains 21, 23 can be examined with regard to the grain size D, ie the grain size diameter.
  • the grain size in the hot side area 7 has an average size D H.
  • FIG. 3 shows detail III of a grain structure as set in the wall side area 9 of the heat shield brick 1 according to the invention.
  • the grain structure in the wall side area 9 has a multiplicity of grains 25, 27 which adjoin one another and form a structure in the wall side area 9.
  • the grain size D W in the wall side area 9 is smaller than the grain size D H in the hot side area 7.
  • FIG 4 shows sections of a schematic side view of a heat shield stone 1.
  • FIG also pointed out for better comparison.
  • layers 11A to 11F are provided.
  • the hot side area 7 comprises one of the hot side 3 assigned layer 11A, while the wall side region 9 a comprises the layer 11F assigned to the wall side 5.
  • the heat shield stone 1 is made of at least two substances 17, 19 composed, a first substance 17 and a different one second substance 19 built into the heat shield brick 1 is.
  • the heat shield brick 1 has a grain size D H in the hot side region 7 comprising the layer 11A. In the wall side region 9 comprising the layer 11F, the heat shield brick 1 has an average grain size D W. The grain size D W is smaller than the grain size D H. Furthermore, a respective grain size D is set in the intermediate layers 11B to 11E lying between the layer 11A and the layer 11F. The grain size D decreases accordingly in layers from the hot side 3 to the wall side 5.
  • the curve T 1 provides an image of a gradual, in particular step-like, adaptation of the grain size D from the smaller grain size D W to the larger grain size D H , as is set in each of the areas 7, 9.
  • a further curve T 2 is shown in the diagram in FIG. 5 to illustrate this fact.
  • the curve T 2 represents a linear adaptation along the direction axis 13.
  • the grain size D is changed linearly from D H to D W from the hot side region 7 to the wall side region 9 along the direction axis 13.
  • other adjustments of the grain size D along the direction axis 13 are also possible. This enables adjustments using higher-order polynomials or optionally other continuous or continuously differentiable functions. This is dependent on the load case and can be adapted in each case depending on the thermomechanical requirements for the heat shield brick 1.
  • an adjustment of the concentrations of the chemical constituents, namely the first substance 17 and the second substance 19 in the heat shield brick 1 can be set, in particular in the case of a two-substance mixture.
  • This combination of structural and chemical adaptation of the heat shield brick 1 makes it possible, in particular, to achieve high thermal shock resistance in the hot side area 7 and high strength in the wall side area 9.
  • aluminum oxide Al 2 O 3 is used as the first substance 17, while mullite is used as the second substance 19.
  • the concentration of the first substance 17 and / or the second substance 19 can change along the direction axis 13 from the wall side 3 to the hot side 5 in a manner adapted to the load.
  • the hot side 3 When used in a gas turbine, for example, the hot side 3 is exposed to a hot, aggressive medium, the hot gas, and the concentration of the first substance 17, for example aluminum oxide Al 2 O 3 , is set greater in the wall side area 9 than in the hot side area 7.
  • the concentration of the second substance 19, for example mullite is greater than the concentration of the first substance 17 (for example aluminum oxide Al 2 O 3 ).
  • the concentration of the first substance 17, for example aluminum oxide Al 2 O 3 in the wall side region 9 can be almost 100%, while in the hot side region 7 the concentration of the second substance 19, for example mullite, is almost 100%.
  • FIG. 6 shows a highly schematic and simplified in one Longitudinal section of a gas turbine 31.
  • a turbine axis 33 are arranged in succession: a compressor 35, a combustion chamber 37 and a turbine part 39.
  • the combustion chamber 37 is lined with a combustion chamber lining 41 on the inside.
  • the combustion chamber 37 has a combustion chamber wall 43 on.
  • a support structure 45 is through the combustion chamber wall 43 educated.
  • the combustion chamber 37 has heat shield stones 1, 1A, 1B according to the above statements.
  • the heat shield stones 1, 1A, 1B with its wall side 5 of the support structure 45 facing the support structure 45 by means of suitable, not fasteners shown attached.
  • Operational the gas turbine 31 are the heat shield stones 1, 1A, 1B at least with their respective hot side 3 of a hot one Medium M, the hot gas of the gas turbine.
  • Just a gas turbine 31 can cause considerable vibrations about coming from combustion chamber hum. In the event of a resonance even shock-like acoustic combustion chamber vibrations large vibration amplitudes occur. These vibrations lead to considerable stress on the combustion chamber lining 41.
  • Both the support structure 45 and the heat shield stones 1, 1A, 1B affected. By bumps especially the heat shield stones 1A, 1B are endangered, in particular because of the existing risk of breakage. They are further Heat shield stones 1, 1A, 1B are particularly thermally stressed, especially on the one charged with the hot gas M. Hot side 3.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hitzeschildstein (1,1A,1B), insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammerwand (43), mit einer einem heißen Medium (M) aussetzbaren Heißseite (3) und einer der Heißseite (3) gegenüberliegenden Wandseite (5). An die Heißseite (3) grenzt ein Heißseitenbereich (7) an. An die Wandseite (5) grenzt ein Wandseitenbereich (9) an. Die mittlere Korngröße (D) im Wandseitenbereich (9) ist kleiner als im Heißseitenbereich (7) eingestellt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Hitzeschildstein, insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammerwand, mit einer einem heißen Medium aussetzbaren Heißseite und einer der Heißseite gegenüberliegenden Wandseite. Der Hitzeschildstein weist einen an die Heißseite angrenzenden Heißseitenbereich sowie einen an die Wandseite angrenzenden Wandseitenbereich auf. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkammer mit einer inneren Brennkammerauskleidung sowie eine Gasturbine.
Um einen extrem hohen Temperaturen ausgesetztes Bauteil, beispielsweise ein Hitzeschildelement, etwa einen Hitzeschildstein oder eine Gasturbinenschaufel, hitzebeständig zu machen, ist es z.B. aus der US-PS 4,321,311 bekannt, das Bauteil aus einem metallischen Grundkörper herzustellen und den metallischen Grundkörper mit einer keramischen Wärmedämmschicht aus ZrO2 zu beschichten. Die Anbindung der keramischen Wärmedämmschicht geschieht dabei über eine metallische Haftvermittlungsschicht aus einer Legierung der Art MCrAlY. Da die keramische Wärmedämmschicht in der Regel ein guter Sauerstoffionenleiter ist, kommt es im Laufe des Betriebseinsatzes des Bauteils zu einer Aufoxidation der Haftvermittlungsschicht, wodurch es zu einer Ablösung der Wärmedämmschicht von dem metallischen Grundkörper kommen kann. Dadurch ist die Einsatzdauer eines derartigen Bauteils beschränkt. Dies ist insbesondere bei häufigen Temperaturwechseln der Fall, welche beim An- und Abfahren einer Gasturbine auftreten.
In dem Artikel "Keramische Gradientenwerkstoffe für Komponenten in Verbrennungsmotoren" von W. Henning et al. in Metall, 46. Jahrgang, Heft 5, Mai 1992, Seiten 436 bis 439, ist zur Verbesserung der Temperaturwechselbeständigkeit von Kolbenböden ein Faserkeramik-Körper mit Dichtegradienten angegeben. Dieser Faserkeramik-Körper ist aus vier Schichten unterschiedlicher Schichtdicke mit unterschiedlichem Keramikanteil aufgebaut. Der Unterschied in dem Keramikanteil besteht darin, dass sich das Verhältnis an Fasern (Al2O3-Kurzfasern) zu Keramikpartikeln aus Al2TiO5 der vier Schichten deutlich unterscheidet. Hierdurch ist auch die Porosität der vier Schichten deutlich voneinander verschieden. Die hohe Porosität der Schichten zwischen 40 % und 79 % wird dazu genutzt, um mittels Pressgießens in die Hohlräume des Faserkeramik-Körpers geschmolzenes Metall zur Herstellung eines defektfreien Verbundes einzubringen. Dadurch ist ein Kolbenboden herstellbar, der einen sich stark sprungartig ändernden Gradienten an Metall und Keramik aufweist. Durch die geringe Wärmeleitfähigkeit der keramischen Anteile wird eine thermische Barriere gebildet und der Kolben somit isoliert. Zudem bewirkt die Faserkeramik eine mechanische Verstärkung des Kolbens und damit eine Verbesserung der Thermoschockbeständigkeit des Kolbens.
In dem Artikel "Projected Research on High Efficiency Energie Conversion Materials", von M. Niino, M. Koizumi in FGM 94, Proceedings of the 3rd International Symposium on Functional Gradient Materials, ed. B. Ilschner, N. Cherradi, S. 601-605, 1994, sind Verbundwerkstoff im Zusammenhang der Entwicklung von Werkstoffen für einen Raumgleiter angegeben, die als Functional Gradient Material (FGM) bezeichnet sind. Wesentliches Merkmal von FGM ist ein kontinuierlicher Zusammensetzungs- und/oder Mikrostrukturgradient, der zu einem kontinuierlichen Gradienten der relevanten Funktionen, z.B. der Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Duktilität und ähnliches mehr führen soll, wobei durch Vermeidung abrupter Eigenschaftsänderung die Belastbarkeit und Effizienz des Werkstoffs gesteigert werden soll. FGM sollen daher die positiven Eigenschaften von Schicht- und Stückverbunden in einem Werkstoff vereinen.
Aus der WO 98/53940 ist ein Metall-Keramik-Gradientenwerkstoff, insbesondere für ein Hitzeschild oder eine Gasturbinenschaufel, bekannt. Der Metall-Keramik-Gradientenwerkstoff weist einen metallischen Grundwerkstoff, eine Keramik und einen Zusatzstoff für einen Hochtemperatur-Oxidationsschutz auf. Hierbei nimmt die Konzentration des metallischen Grundwerkstoffs von einer metallreichen Zone in eine keramikreiche Zone ab, wobei die Konzentration des Zusatzstoffes einen Konzentrationsgradienten aufweist. In der WO 98/53940 ist weiter ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Gradientenwerkstoffs sowie ein daraus hergestelltes Erzeugnis, beispielsweise eine Gasturbinenschaufel oder ein Hitzeschutzelement einer Gasturbine, beschrieben.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Hitzeschildstein, insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammerwand, anzugeben. Der Hitzeschildstein soll insbesondere im Hinblick auf die unterschiedlichen Anforderungen auf der mit einem heißen Medium, z.B. ein Heißgas, aussetzbaren Heißseite und der der Heißseite gegenüberliegenden Wandseite, ausgestaltet sein. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkammer mit einer inneren Brennkammerauskleidung sowie eine Gasturbine anzugeben.
Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Hitzeschildstein, insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammerwand, mit einer einem heißen Medium aussetzbaren Heißseite und einer der Heißseite gegenüberliegenden Wandseite, und mit einem an die Heißseite angrenzenden Heißseitenbereich sowie einem an die Wandseite angrenzenden Wandseitenbereich, wobei im Mittel die Korngröße im Wandseitenbereich kleiner ist als im Heißseitenbereich.
Die Erfindung geht von der Beobachtung aus, dass die Anforderungen an Hitzeschildsteine auf der Heißseite und der der Heißseite gegenüberliegenden Wandseite unterschiedlich sind. Im Betrieb eines Hitzeschildsteins werden die Hitzeschildsteine beispielsweise in Brennkammern von stationären Gasturbinen eingesetzt und dienen der thermischen Isolierung der üblicherweise metallischen Brennkammerwand. Ein Hitzeschildstein ist dabei mit seiner Wandseite angrenzend über eine Tragstruktur an der Brennkammerwand befestigt. Die Heißseite ist im Betrieb einem heißen Medium, beispielsweise dem heißen Verbrennungsgas, ausgesetzt. Aufgrund der Einsatzbedingungen sind an die Heißseite der Hitzeschildsteine daher wesentlich andere Anforderungen gestellt als an die demgegenüber viel kältere Wandseite. In einer Gasturbinenbrennkammer ist die Heißseite der Hitzeschildsteine einer hohen Beanspruchung durch schnell strömende, korrosive, heiße Gase mit typischen Temperaturen von etwa 1500 °C ausgesetzt. Außerdem müssen durch Be- und Entlastungsvorgänge der Gasturbine häufig schroffe Temperaturwechsel von bis zu 1000 °C ertragen werden. Die unter diesen Bedingungen angestrebten Lebensdauern der Steine liegen bei ca. 50.000 Betriebsstunden.
Mit der Erfindung wird ein neuer Weg beschritten, die teilweise konkurrierenden Erfordernisse, beispielsweise hohe Festigkeit auf der Wandseite und demgegenüber Ertragen hoher Wärmespannungen, Temperatur- und Temperaturwechselfestigkeit auf der Heißseite, mit dem vorgeschlagenen Hitzeschildstein besser miteinander zu verbinden. Dabei werden die relevanten kritischen Bereiche, nämlich der an die Heißseite angrenzende Heißseitenbereich sowie der an die Wandseite angrenzende Wandseitenbereich des Hitzeschildsteins hinsichtlich ihrer Struktur gezielt an die jeweiligen Anforderungen angepasst. Hierbei wird die Korngrößenverteilung im Heißseitenbereich und im Wandseitenbereich bereichsspezifisch an die jeweilige thermomechanische Belastung angepasst. Als ausgewählter Strukturparameter wird die Korngröße in dem Wandseitenbereich und in dem Heißseitenbereich eingestellt, wobei im Mittel die Korngröße im Wandseitenbereich kleiner ist als im Heißseitenbereich. Als Mittel der Korngröße wird hierbei der Mittelwert der Korngrößendurchmesserverteilung in einem jeweiligen Bereich verstanden. Mit einer an die Anforderungen angepassten Korngrößenstrukturierung der jeweiligen Bereiche ist ein hinsichtlich der Belastung angepasster und gegenüber herkömmlichen Hitzeschutzelementen verbesserter Hitzeschildstein realisiert. Hierbei können insbesondere die Anforderungen einer großen Thermoschockbeständigkeit im Heißseitenbereich sowie einer großen Festigkeit im Wandseitenbereich miteinander in einem Hitzeschildstein realisiert werden.
Vorteilhafterweise kann der Hitzeschildstein hierbei aus einem einheitlichen Material bestehen, beispielsweise aus einem feuerfesten Material, wobei lediglich die Einstellung der unterschiedlichen Korngrößen im Wandseitenbereich und im Heißseitenbereich erfolgt. Bereits durch die strukturelle Anpassung des Hitzeschildsteins wird das gewünschte Ergebnis erzielt. Es ist aber auch durchaus möglich einen Stein mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen, beispielsweise ein Gemisch aus zwei oder mehreren Substanzen, auszuwählen, und die strukturelle Anpassung in Bezug auf die Korngröße in dem Wandseitenbereich und in dem Heißseitenbereich gemäß der Erfindung in entsprechender Weise vorzunehmen. Die Erfindung zeichnet sich somit durch eine hohe Flexibilität aus, da der relevante Parameter, nämlich die Korngrößenverteilung oder das arithmetische Mittel hieraus, ein struktureller Parameter ist, der a priori unabhängig von der chemischen Zusammensetzung beeinflussbar und somit im Hinblick auf die oben genannten Anforderungen einstellbar ist.
Vorzugsweise ist die Korngröße im Wandseitenbereich um etwa einen Faktor 0,4 bis 0,9, insbesondere einen Faktor 0,6 bis 0,8, kleiner als im Heißseitenbereich. Durch diese Skalierungsfaktoren ist die Korngröße in dem Heißseitenbereich und in dem Wandseitenbereich relativ zueinander einstellbar, so dass man von absoluten Dimensionen des Hitzeschildsteins und der relevanten Belastungsbereiche (Heißseitenbereich, Wandseitenbereich), weitgehend unabhängig ist. Vorteilhafterweise sind dadurch Hitzeschildsteine unterschiedlicher Geometrie, Materialdicke oder Zusammensetzung, mit belastungsbereichsspezifischer Korngrößenanpassung realisierbar.
Vorzugsweise beträgt im Mittel die Korngröße im Heißseitenbereich zwischen etwa 1,5 mm und 3,5 mm. Insbesondere ist im Mittel die Korngröße im Heißseitenbereich größer als etwa 2 mm.
Bevorzugt beträgt im Mittel die Korngröße im Wandseitenbereich zwischen etwa 0,6 mm und 1,4 mm. Insbesondere ist im Mittel die Korngröße im Wandseitenbereich kleiner als etwa 1,2 mm.
Mit der Dimensionierung der Korngröße gemäß oben genannten Grenzen sind insbesondere Hitzeschildsteine mit Dimensionen, wie sie üblicherweise beim Einsatz eines Hitzeschildsteins in der Brennkammer einer Gasturbine von Bedeutung sind, belastungsgerecht angebbar. Im konkreten Fall ist natürlich empirisch und/oder rechnerisch die jeweilige thermomechanische Belastung im Wandseitenbereich und im Heißseitenbereich zu ermitteln, und eine belastungsgerechte Korngröße in den Bereichen präzise vorzusehen.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind entlang einer Richtung von der Heißseite zu der Wandseite Schichten mit abnehmender Korngröße vorgesehen.
In den Schichten wird hierbei jeweils eine mittlere Korngröße eingestellt, so dass von dem Heißseitenbereich zu dem Wandseitenbereich die mittlere Korngröße schichtweise abnimmt. In jeder Schicht wird dabei vorzugsweise eine jeweilige Korngröße eingestellt. Diese schichtweise Abstufung der eingestellten Korngrößen in den Schichten erfolgt vorteilhafterweise graduell, so dass unzulässig große Änderungen (Sprünge) in den Materialeigenschaften weitgehend vermieden und ein Hitzeschildstein mit an die Anforderungen entsprechend angepassten Eigenschaften erreichbar ist. Die relevanten Werkstoffeigenschaften, z.B. Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Duktilität und ähnliches mehr, können durch die Vermeidung abrupter Eigenschaftsänderungen zu einer Steigerung der Belastbarkeit und Effizienz des Hitzeschildstein führen. Vorteilhafterweise kann dabei der Wandseitenbereich und/oder der Heißseitenbereich eine jeweilige Schicht mit entsprechender Korngrößenanpassung aufweisen.
Vorzugsweise beträgt die Anzahl der Schichten hierbei etwa 5 bis 30, insbesondere etwa 10 bis 20.
Die genaue Wahl der Anzahl der Schichten hängt vom jeweiligen Belastungsfall und von der erforderlichen graduellen Anpassung der Korngröße von dem Heißseitenbereich zu dem Wandseitenbereich ab. Verfahrenstechnisch kann beispielsweise die Herstellung eines solchen Hitzeschildsteins mit einem bezüglich der Korngröße eingestellten Strukturgradienten derart erfolgen, dass ein Pulver mit einem Grundwerkstoff für den Hitzeschildstein, beispielsweise eine Keramik oder ein anderes Feuerfestmaterial, übereinander zu einer Schüttung schichtweise geschüttet wird, und dass die Schüttung anschließend entsprechen gepresst und zu dem einen Strukturgradienten aufweisenden Hitzeschildstein gesintert wird, wobei im Mittel die Korngröße im Wandseitenbereich kleiner ist als im Heißseitenbereich und entsprechend der Anzahl der Schichten eine graduelle Anpassung der Korngröße erfolgt.
Vorzugsweise ändert sich entlang einer Richtung von der Heißseite zu der Wandseite die Korngröße im Wesentlichen kontinuierlich.
Eine kontinuierliche Änderung der Korngröße ist besonders vorteilhaft, weil hierdurch praktisch jegliche abrupte Änderungen in den relevanten Materialeigenschaften beim Übergang von dem Wandseitenbereich zu dem Heißseitenbereich vermieden werden. Durch eine entsprechend hohe Anzahl von Schichten kann eine quasi-kontinuierliche Anpassung erreicht werden.
Herstellungstechnisch ist eine solche kontinuierliche Anpassung entsprechend aufwendiger. Ein kontinuierlicher oder quasi-kontinuierlicher Übergang der Korngrößenverteilung (Mittelwert der Korngrößendurchmesser-Verteilung) kann hierbei beispielsweise in einer linearen Funktion erfolgen. Allgemein können aber auch Polynome höherer Ordnung oder andere stetige oder stetig-differenzierbare Funktionen diesen Übergang erreichen. Die Wahl ist je nach Belastungsfall und Belastungsverlauf von der Heißseite zu der Wandseite des Hitzeschildsteins in geeigneter Weise zu treffen und entsprechende Funktionen für die Anpassung des Übergangs anzuwenden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Hitzeschildstein aus mindestens zwei Stoffen, mit einem ersten Stoff und mit einem davon verschiedenen zweiten Stoff, zusammengesetzt.
Durch diese Ausgestaltung sind vorteilhafterweise auch Hitzeschildsteine, die zumindest aus einem Zweistoffgemisch bestehen, gemäß dem Konzept der Erfindung mit einer bereichsspezifischen Korngrößenanpassung ausgestaltbar. Neben Zweistoffgemischen sind auch Hitzeschildsteine, die aus mehr als zwei chemischen Verbindungen zusammengesetzt sind hinsichtlich ihrer Korngrößenverteilung strukturierbar.
Bevorzugt ist hierbei die Konzentration des ersten Stoffs im Wandseitenbereich größer als im Heißseitenbereich.
Hierdurch werden die Vorteile einer strukturellen Anpassung der Korngröße im Heißseitenbereich und im Wandseitenbereich in vorteilhafter Weise mit einer chemischen Anpassung hinsichtlich der Konzentration des ersten Stoffes im Wandseitenbereich und im Heißseitenbereich kombiniert. Zu der strukturellen Abstufung tritt bei Zweistoffgemischen eine chemische Abstufung, die wie die strukturelle auch graduell mit einem Schichtsystem oder im Wesentlichen kontinuierlich von dem Heißseitenbereich in den Wandseitenbereich durchführbar ist.
Durch die Abstufung der Korngröße und der chemischen Zusammensetzung können abrupte Änderungen in den Materialeigenschaften in besonders vorteilhafter Weise vermieden werden. Die Anpassung des Hitzeschildsteins an die thermomechanischen Erfordernisse ist dadurch weiter verbessert. Durch die Korngrößen- und Konzentrationsanpassung ist ein mehrdimensionaler Parameterraum für eine belastungsbereichsspezifische Ausgestaltung eines Hitzeschildsteins erreicht.
Der erste Stoff, mit der höheren Konzentration im Wandseitenbereich als im Heißseitenbereich, weist vorteilhafterweise Eigenschaften auf, die die Festigkeit im Wandseitenbereich gegenüber der Festigkeit im Heißseitenbereich erhöhen, da aufgrund der Anforderungen beispielsweise beim Einsatz des Hitzeschildsteins in der Brennkammer einer Gasturbine, der Wandseitenbereich die größere Festigkeit erfordert. Demgegenüber ist das Festigkeitserfordernis im Heißseitenbereich von untergeordneter Bedeutung gegenüber der Thermoschockbeständigkeit im Heißseitenbereich. Daher ist die Konzentration des ersten Stoffes im Heißseitenbereich gegenüber dem Kaltseitenbereich vorzugsweise geringer einzustellen. Die Anpassung der Konzentration, d. h. der Konzentrationsgradient des ersten Stoffes und/oder des zweiten Stoffes erfolgt dabei vorteilhafterweise graduell in entsprechenden Schichten oder ist in kontinuierlicher Weise angepasst.
Vorzugsweise ist der erste Stoff ein Oxid und der zweite Stoff ein Silicat, insbesondere eine Silicatkeramik.
Vorzugsweise ist der erste Stoff Aluminiumoxid Al2O3 und der zweite Stoff Aluminiumsilicat 3Al2O3•2SiO2.
Als für den Einsatz unter den oben beschriebenen Bedingungen besonders gut geeignet erweisen sich Hitzeschildsteine einer Qualität, die Aluminiumsilicat 3Al2O3•2SiO2 sowie Aluminiumoxid Al2O3 enthalten. Das Aluminiumoxid kann dabei als Korund (grob kristallin) eingebracht sein. Aluminiumoxid bildet sehr harte, farblose Kristalle und weist einen hohen Schmelzpunkt bei 2050 °C auf. Daher ist es für Hochtemperaturanwendungen als Bestandteil eines Hitzeschildsteins in besonderer Weise geeignet. Aluminiumsilicat 3Al2O3•2SiO2, auch als Mullit bezeichnet, entsteht beispielsweise durch Brennen (Erhitzen) von geformtem, feuchtem Ton, evtl. mit Zuschlägen von Quarzsand und Feldspat, bis zum Sintern oder Schmelzen. Hitzeschildsteine, die zumindest Aluminiumoxid und Aluminiumsilicat aufweisen, sind hinsichtlich der Korngröße im Heißseitenbereich und im Wandseitenbereich und hinsichtlich der Konzentrationsanteile der beiden Stoffe gut anpassbar.
Hierbei kann insbesondere der Mullitanteil gegenüber dem Aluminiumoxidanteil im Wandseitenbereich geringer sein als im Heißseitenbereich. Bevorzugt kann der Mullitanteil im Wandseitenbereich deutlich kleiner sein als der Aluminiumoxidanteil. Insbesondere kann der Aluminiumoxidanteil im Wandseitenbereich der dominante Anteil bei der Zusammensetzung des Hitzeschildsteins sein. Weiter bevorzugt kann der Wandseitenbereich überwiegend aus Aluminiumoxid, insbesondere praktisch ausschließlich aus Aluminiumoxid, bestehen. Weiter bevorzugt ist in dem Heißseitenbereich der Mullit-Anteil größer als der Aluminiumoxid-Anteil. Insbesondere ist in dem Heißseitenbereich der Mullit-Anteil so viel größer als der Aluminiumoxid-Anteil, dass insbesondere der Mullit-Anteil der dominante Bestandteil des Hitzeschildsteins in dem Heißseitenbereich ist. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung besteht der Heißseitenbereich praktisch ausschließlich aus Mullit.
Vorteilhafterweise weist ein gemäß den obigen Ausführungen bevorzugt ausgestalteter Hitzeschildstein, mit einem dominanten Mullit-Anteil im Heißseitenbereich und einem dominanten Aluminiumoxid-Anteil im Wandseitenbereich, eine hohe Festigkeit im Wandseitenbereich bei gleichzeitig hoher Thermoschockbeständigkeit im Heißseitenbereich auf.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der erste Stoff eine Keramik und der zweite Stoff ein Metall. Dadurch können vorteilhafterweise auch Metall aufweisende Hitzeschildsteine, wie sie beispielsweise in der WO 98/53940 mit einem Metall-Keramik-Gradientenwerkstoff beschrieben sind, hinsichtlich einer belastungsbereichsspezifischen Korngrößenanpassung verbessert werden. Das Konzept der Erfindung ist mithin auf eine Vielzahl von unterschiedlicher chemischen Zusammensetzungen von Hitzeschildsteinen anwendbar.
Die auf eine Brennkammer gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Brennkammer mit einer inneren Brennkammerauskleidung, die Hitzeschildsteine gemäß den obigen Ausführungen aufweist.
Die auf eine Gasturbine gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Gasturbine mit einer solche Hitzeschildsteine aufweisenden Brennkammer.
Die Vorteile einer solchen Brennkammer und einer solchen Gasturbine ergeben sich entsprechend den Ausführungen zum Hitzeschildstein.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen hierbei schematisch und teilweise vereinfacht:
FIG 1
in perspektivischer Darstellung einen Hitzeschildstein,
FIG 2
eine vergrößerte Ansicht der in FIG 1 gezeigten Einzelheit II,
FIG 3
eine analog zu FIG 2 vergrößerte Ansicht der in FIG 1 gezeigten Einzelheit III,
FIG 4
in einem Ausschnitt eine Seitenansicht eines Hitzeschildsteins mit Schichtaufbau,
FIG 5
ein Diagramm mit der Darstellung des Verhaltens der Korngröße des in FIG 4a gezeigten Hitzeschildsteins, und
FIG 6
einen stark vereinfachten Längsschnitt durch eine Gasturbine.
Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.
In FIG 1 ist in perspektivischer Darstellung ein Hitzeschildstein 1 gezeigt. Der Hitzeschildstein 1 weist eine quaderförmige Geometrie auf, mit einer Heißseite 3 und einer der Heißseite gegenüberliegenden Wandseite 5. An die Heißseite 3 grenzt ein Heißseitenbereich 7 an. An die Wandseite 5 grenzt ein Wandseitenbereich 9 an. Der Heißseitenbereich 7 und der Wandseitenbereich 9 erstrecken sich jeweils von der Heißseite 3 bzw. der Wandseite 5 in das Innere des quaderförmigen Hitzeschildsteins 1. Das Material aus dem der Hitzeschildstein 1 zusammengesetzt ist, beispielsweise eine Feuerfestkeramik, weist in dem Wandseitenbereich 9 und in dem Heißseitenbereich 7 eine jeweilige Korngrößenverteilung auf. Dabei ist die Korngrößenverteilung so eingestellt, dass im Mittel die Korngröße D im Wandseitenbereich 9 kleiner ist als im Heißseitenbereich 7. Durch diese strukturelle Ausgestaltung des Hitzeschildsteins 1 ist dieser an die thermomechanischen Anforderungen bereichsspezifisch angepasst. Insbesondere beim Einsatz des Hitzeschildsteins 1 in einer Brennkammer, beispielsweise einer Brennkammer einer Gasturbine, sind die Anforderungen an den Hitzeschildstein 1 in dem Heißseitenbereich 7 und dem Wandseitenbereich 9 unterschiedlich. Mit der gezielten Korngrößeneinstellung gemäß der Erfindung können die teilweise konkurrierenden Erfordernisse im Heißseitenbereich 7 und im Wandseitenbereich 9 gleichermaßen weitgehend erfüllt und gegenüber herkömmlich ausgestalteten Hitzeschildsteinen 1 deutliche Verbesserungen erzielt werden. Dadurch ist beispielsweise im Wandseitenbereich 9 eine hohe Festigkeit und im Heißseitenbereich 9 eine besondere Resistenz gegenüber hohen Wärmespannungen, Temperatur- und Temperaturwechselbelastung (Thermoschockbeständigkeit) erreicht. Der Hitzeschildstein 1 ist mithin für Hochtemperaturanwendungen und für eine Beaufschlagung mit einem korrosiven, heißen Medium, beispielsweise einem Heißgas, mit Temperaturen von bis zu 1500 °C, ausgelegt.
Um die unterschiedlichen Korngrößen in dem Heißseitenbereich 7 und im Kaltseitenbereich 9 zu veranschaulichen sind in den Figuren 2 und 3 jeweils Einzelheiten II bzw. III in vergrößerter Darstellung gezeigt. Die Einzelheiten X1, X2 sind hierbei um etwa den gleichen Faktor gegenüber der Darstellung in FIG 1 vergrößert. FIG 2 zeigt die Einzelheit II, d. h. einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Heißseitenbereich 7 des Hitzeschildsteins 1. Der Heißseitenbereich 7 weist eine Kornstruktur mit einer Vielzahl von aneinander grenzenden Körner 21, 23 auf. Das Ensemble einer Vielzahl von Körnern 21, 23 kann hinsichtlich der Korngröße D, d. h. des Korngrößendurchmessers, untersucht werden. Dabei weist die Korngröße im Heißseitenbereich 7 im Mittel eine Größe DH auf. Zum Vergleich dazu zeigt FIG 3 mit der Einzelheit III ausschnittsweise eine Kornstruktur, wie sie im Wandseitenbereich 9 des Hitzeschildsteins 1 gemäß der Erfindung eingestellt ist. Die Kornstruktur im Wandseitenbereich 9 weist eine Vielzahl von Körnern 25, 27 auf, die aneinander grenzen und ein Gefüge in dem Wandseitenbereich 9 bilden. Die Korngröße DW in dem Wandseitenbereich 9 ist hierbei kleiner als die Korngröße DH im Heißseitenbereich 7.
FIG 4 zeigt ausschnittsweise eine schematische Seitenansicht eines Hitzeschildsteins 1. Auf die Figur 5 wird in diesem Zusammenhang zum besseren Vergleich ebenso hingewiesen. Entlang einer Richtung 13 von der Heißseite 3 zu der Wandseite 5 des Hitzeschildsteins 1 sind Schichten 11A bis 11F vorgesehen. Der Heißseitenbereich 7 umfasst dabei eine der Heißseite 3 zugeordnete Schicht 11A, während der Wandseitenbereich 9 eine der Wandseite 5 zugeordnete Schicht 11F umfasst. Der Hitzeschildstein 1 ist hierbei aus zumindest zwei Stoffen 17, 19 zusammengesetzt, wobei ein erster Stoff 17 und ein davon verschiedener zweiter Stoff 19 in den Hitzeschildstein 1 eingebaut ist.
In FIG 5 ist ein Diagramm gezeigt, welches die mittlere Korngröße D entlang der Richtung 13 von der Heißseite 3 zu der Wandseite 7 graphisch veranschaulicht (vertikale Achse). Die Schichtabfolge der Schichten 11A bis 11F ist dabei entlang der Richtungsachse 13 veranschaulicht. Die Korngröße D ist entlang der Achse 15 aufgetragen (horizontale Achse). In dem die Schicht 11A umfassenden Heißseitenbereich 7 weist der Hitzeschildstein 1 eine Korngröße DH auf. In dem die Schicht 11F umfassenden Wandseitenbereich 9 weist der Hitzeschildstein 1 eine mittlere Korngröße DW auf. Dabei ist die Korngröße DW kleiner als die Korngröße DH. Weiter ist in den zwischen der Schicht 11A und der Schicht 11F liegenden Zwischenschichten 11B bis 11E eine jeweilige Korngröße D eingestellt. Hierbei nimmt die Korngröße D entsprechend schichtweise von der Heißseite 3 zu der Wandseite 5 ab. Somit ist entlang der Richtung 13 von der Heißseite 3 zu der Wandseite 5 eine graduelle, insbesondere treppenförmige, Anpassung der Korngröße D erreicht, wodurch auch die relevanten Materialeigenschaften des Hitzeschildsteins 1, z.B. Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Duktilität, u.ä.m. entsprechend graduell aufeinander abgestimmt sind. Hierdurch werden abrupte Eigenschaftsänderungen vermieden und die Belastbarkeit und Effizienz des den Hitzeschildstein 1 bildenden Werkstoffs erheblich gesteigert.
In FIG 5 sind mögliche Varianten für den Verlauf der Korngröße D als Funktion der Schichtabfolge 11A bis 11F vereinfacht dargestellt. Der Kurvenzug T1 liefert hierbei ein Abbild einer graduellen, insbesondere treppenförmigen, Anpassung der Korngröße D von der kleineren Korngröße DW bis zur größeren Korngröße DH, wie sie in den Bereichen 7, 9 jeweils eingestellt sind. Bei einer entsprechenden Vielzahl von Schichten 11A bis 11F ist es aber auch möglich, die Anpassung der Korngröße D entlang einer Richtung 13 von der Heißseite 3 zu der Wandseite 9 durch eine kontinuierliche, zumindest aber eine quasi-kontinuierliche Funktion, zu ändern. Zur Veranschaulichung dieses Sachverhaltes ist in dem Diagramm der FIG 5 ein weiterer Kurvenzug T2 dargestellt. Der Kurvenzug T2 stellt eine lineare Anpassung entlang der Richtungsachse 13 dar. Hierbei wird die Korngröße D von dem Heißseitenbereich 7 zu dem Wandseitenbereich 9 entlang der Richtungsachse 13 linear von DH bis DW geändert. Neben den Kurvenzügen T1 und T2 sind aber auch andere Anpassungen der Korngröße D entlang der Richtungsachse 13 möglich. So sind Anpassungen mittels Polynomen höherer Ordnung oder wahlweise anderer stetiger oder stetig-differenzierbarer Funktionen möglich. Dies ist belastungsfallabhängig und abhängig von den thermomechanischen Anforderungen für den Hitzeschildstein 1 jeweils anpassbar.
Zusätzlich zu der Anpassung der Korngröße D kann, insbesondere im Falle eines Zweistoffgemisches, eine Anpassung der Konzentrationen der chemischen Bestandteile, nämlich des ersten Stoffes 17 und des zweiten Stoffes 19 in dem Hitzeschildstein 1 eingestellt sein. Durch diese Kombination von struktureller und chemischer Anpassung des Hitzeschildsteins 1 ist insbesondere eine hohe Thermoschockbeständigkeit im Heißseitenbereich 7 bei einer hohen Festigkeit im Wandseitenbereich 9 erzielbar. Als erster Stoff 17 kommt beispielsweise Aluminiumoxid Al2O3 zum Einsatz, während als zweiter Stoff 19 Mullit Verwendung findet. Dabei kann sich die Konzentration des ersten Stoffes 17 und/oder des zweiten Stoffes 19 entlang der Richtungsachse 13 von der Wandseite 3 zu der Heißseite 5 in einer an die Belastung angepassten Weise ändern.
Beim Einsatz in einer Gasturbine beispielsweise ist die Heißseite 3 einem heißen aggressiven Medium, dem Heißgas, ausgesetzt und die Konzentration des ersten Stoffe 17, z.B. Aluminiumoxid Al2O3, im Wandseitenbereich 9 größer als im Heißseitenbereich 7 eingestellt. In dem Heißseitenbereich 7 ist die Konzentration des zweiten Stoffs 19, beispielsweise Mullit, größer als die Konzentration des ersten Stoffes 17 (z.B. Aluminiumoxid Al2O3). Beispielsweise kann in einem Zweistoffgemisch die Konzentration des ersten Stoffes 17, etwa Aluminiumoxid Al2O3, im Wandseitenbereich 9 nahezu 100% betragen, während im Heißseitenbereich 7 die Konzentration des zweiten Stoffes 19, z.B. Mullit, nahezu 100% beträgt.
FIG 6 zeigt stark schematisiert und vereinfacht in einem Längsschnitt eine Gasturbine 31. Entlang einer Turbinenachse 33 sind aufeinander folgend angeordnet: Ein Verdichter 35, eine Brennkammer 37 sowie ein Turbinenteil 39. Die Brennkammer 37 ist mit einer Brennkammerauskleidung 41 innen ausgekleidet. Die Brennkammer 37 weist eine Brennkammerwand 43 auf. Durch die Brennkammerwand 43 ist eine Tragstruktur 45 gebildet. Die Brennkammer 37 weist Hitzeschildsteine 1, 1A, 1B gemäß den obigen Ausführungen auf. Hierbei sind die Hitzeschildsteine 1, 1A, 1B mit ihrer Wandseite 5 der Tragstruktur 45 zugewandt an der Tragstruktur 45 mittels geeigneten, nicht näher dargestellten, Befestigungselementen befestigt. Im Betrieb der Gasturbine 31 sind die Hitzeschildsteine 1, 1A, 1B zumindest mit ihrer jeweiligen Heißseite 3 von einem heißen Medium M, dem Heißgas der Gasturbine, beaufschlagt. Gerade bei einer Gasturbine 31 kann es zu erheblichen Vibrationen etwa durch Brennkammerbrummen kommen. Im Resonanzfall können sogar stoßartige akustische Brennkammerschwingungen mit großen Schwingungsamplituden auftreten. Diese Vibrationen führen zu einer erheblichen Beanspruchung der Brennkammerauskleidung 41. Dabei sind sowohl die Tragstruktur 45 als auch die Hitzeschildsteine 1, 1A, 1B betroffen. Durch Stöße sind vor allen Dingen die Hitzeschildsteine 1A, 1B gefährdet, insbesondere wegen der bestehenden Bruchgefahr. Weiter sind die Hitzeschildsteine 1, 1A, 1B besonders stark thermisch belastet, insbesondere auf der mit dem Heißgas M beaufschlagten Heißseite 3. Durch die Ausgestaltung der Hitzeschildsteine 1, 1A, 1B mit einer bereichsspezifisch belastungsgerechten Einstellung der Korngröße D, vorzugsweise auch zusätzlich mit einer Variation der chemischen Zusammensetzung bei einem Zweistoffsystem, ist ein an die Anforderungen angepasster Hitzeschildstein 1, 1A, 1B in der Brennkammer 37 eingebaut. Dadurch ergibt sich eine besonders hohe Unempfindlichkeit der Brennkammerauskleidung 41 gegenüber Stößen oder Vibrationen oder Temperaturbelastung, insbesondere Temperaturwechselbelastung.

Claims (14)

  1. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B), insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammerwand (43), mit einer einem heißen Medium (M) aussetzbaren Heißseite (3) und einer der Heißseite (3) gegenüberliegenden Wandseite (5), und mit einem an die Heißseite (3) angrenzenden Heißseitenbereich (7) sowie einem an die Wandseite (5) angrenzenden Wandseitenbereich (9),
    dadurch gekennzeichnet, dass im Mittel die Korngröße (D) im Wandseitenbereich (9) kleiner ist als im Heißseitenbereich (7).
  2. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße (D) im Wandseitenbereich (9) um etwa einen Faktor 0,4 bis 0,9, insbesondere einen Faktor 0,6 bis 0,8, kleiner ist als im Heißseitenbereich (7).
  3. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass im Mittel die Korngröße (D) im Heißseitenbereich (7) zwischen etwa 1,5 mm und 3,5 mm beträgt, insbesondere größer als etwa 2 mm ist.
  4. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass im Mittel die Korngröße (D) im Wandseitenbereich (9) zwischen etwa 0,6 mm und 1,4 mm beträgt, insbesondere kleiner als etwa 1,2 mm ist.
  5. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass entlang einer Richtung (13) von der Heißseite (3) zu der Wandseite (5) Schichten (11A, 11B, 11C) mit abnehmender Korngröße (D) vorgesehen sind.
  6. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Schichten (11A, 11B, 11C) etwa 5 bis 30, insbesondere etwa 10 bis 20, beträgt.
  7. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass entlang einer Richtung (13) von der Heißseite (3) zu der Wandseite (5) die Korngröße (D) sich im wesentlichen kontinuierlich ändert.
  8. Hitzeschildstein (1,1A,1B) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass dieser aus mindestens zwei Stoffen (17,19), mit einem ersten Stoff (17) und einem davon verschiedenen zweiten Stoff (19), zusammengesetzt ist.
  9. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des ersten Stoffs (17) im Wandseitenbereich (9) größer ist als im Heißseitenbereich (7).
  10. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach einem der Ansprüche 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stoff (17) ein Oxid und der zweite Stoff (19) ein Silicat, insbesondere eine Silicatkeramik, ist.
  11. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stoff (17) Aluminiumoxid Al2O3 und der zweite Stoff (19) Aluminiumsilicat 3Al2O3·2SiO2 ist.
  12. Hitzeschildstein (1, 1A, 1B) nach Anspruch 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stoff (17) eine Keramik und der zweite Stoff (19) ein Metall ist.
  13. Brennkammer (37) mit einer inneren Brennkammerauskleidung, die Hitzeschildsteine (1, 1A, 1B) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausweist.
  14. Gasturbine (31) mit einer Brennkammer (37) nach Anspruch 11.
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