Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
HEAT SHIELD ELEMENT FOR LINING A COMBUSTION CHAMBER WALL, COMBUSTION CHAMBER AND GAS TURBINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2006/111519
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a heat shield element (1) for lining a combustion chamber wall, to a combustion chamber and to a gas turbine. The heat shield element comprises a hot side (3) that can be exposed to a hot medium (M), a wall side (5) opposite said hot side (3), and a peripheral side (7) adjoining the hot side (3) and the wall side (5) and having a peripheral side surface. Relief slots (9) are introduced into the material in an area of the heat shield element (1) that is susceptible to material cracks induced by thermal stress, thereby limiting crack propagation.

Inventors:
HEILOS ANDREAS (DE)
HOFFMANN STEFAN (DE)
SCHOLZ CHRISTIAN (DE)
Application Number:
PCT/EP2006/061625
Publication Date:
October 26, 2006
Filing Date:
April 18, 2006
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
SIEMENS AG (DE)
HEILOS ANDREAS (DE)
HOFFMANN STEFAN (DE)
SCHOLZ CHRISTIAN (DE)
International Classes:
F27D1/04; F23M5/04; F23R3/00; F27D1/00; F27D1/14
Foreign References:
DE2831151A11980-01-31
EP1128131A12001-08-29
DE8321679U11983-12-01
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Postfach 22 16 34, München, 80506, DE)
Download PDF:
Claims:
Patentansprüche
1. Hitzeschildelement (1), insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammerwand, mit einer einem heißen Medium (M) aussetzba ren Heißseite (3) , einer der Heißseite (3) gegenüberliegenden Wandseite (5) und einer an die Heißseite (3) und die Wandsei¬ te (5) angrenzenden Umfangsseite (7), und wobei die Umfangs seite (7) eine Umfangsseitenoberflache aufweist d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in einem zu thermospannungsinduzierter Materialrissbildung neigenden Bereich gezielt Entlastungsschlitze (9) im Material einge¬ bracht sind, so dass die Rissausbreitung eingeschränkt ist, und wobei die Entlastungsschlitze (9) sich bis in die Um fangsseitenoberflache (7) erstrecken.
2. Hitzeschildelement (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die An¬ zahl (N) , der Abstand (D) , die Anordnung und die Geometrie (13) der Entlastungsschlitze (9) so festgelegt sind, dass die mechanische Tragfähigkeit nur unwesentlich beeinträchtigt ist .
3. Hitzeschildelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Heißseite (3) eine Heißseitenoberfläche aufweist, wobei Ent¬ lastungsschlitze (9) sich bis in die Heißseitenoberfläche (3) erstrecken .
4. Hitzeschildelement (1) nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Heißseitenoberfläche (3) von einer Vielzahl von Entlastungs¬ schlitzen (9) durchsetzt ist, so dass hierdurch eine zweidi¬ mensionale gitterartige Oberflächenstruktur (11) in dem Material aus einer Vielzahl von Säulen (15) ausgebildet ist.
5. Hitzeschildelement (1) nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Säu¬ len (15) eine dreieckige (17a) , viereckige oder sechseckige (17b) Grundfläche aufweisen.
6. Hitzeschildelement (1) nach Anspruch 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Tie¬ fe (T) der Säulen (15) so eingestellt ist, dass eine vorgege bene thermische Isolationswirkung im Betriebsfall erzielt ist .
7. Hitzeschildelement (1) nach Anspruch 4, 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Durchmesser (D) der Säulen (15) an der Heißseitenoberfläche (3) so ausgelegt ist, dass eine zulässiger lebensdauerbegrenzender Spannungswert (O) bei einer thermischen Belastung nicht überschritten ist.
8. Hitzeschildelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass Entlas¬ tungsschlitze (9) sich von der Heißseite (3) bis in die Um fangsseite (7) erstrecken, wobei die entlang der Umfangsseite (7) gemessene Tiefe (T) der Entlastungsschlitze (9) kleiner ist als die durch den Abstand zwischen der Heißseite (3) und der Wandseite (5) definierte Höhe (H) des Hitzeschildelemen¬ tes (1) .
9. Hitzeschildelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass Entlas¬ tungsschlitze (9) vorgesehen sind, die sich von der Heißseite (3) bis zu der Wandseite (5) erstrecken, wobei die Schlitz länge (Li) gemessen entlang der Heißseite (3) größer ist als die Schlitzlänge (L2) entlang der Wandseite (5) .
10. Hitzeschildelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Ent¬ lastungsschlitz (9) am Schlitzgrund (19) eine Ausrundung mit einem Rundungsradius (R) zur Einstellung einer vorgegebenen Kerbwirkung aufweist.
11. Hitzeschildelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Um fangsseite (7) eine Stirnseite (21) und eine gegenüber der Stirnseite (37) geneigte Befestigungsseite (23) aufweist, wo¬ bei Entlastungsschlitze (9) an der Stirnseite (21) vorgesehen sind.
12. Hitzeschildelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Um fangsseite (7) eine Stirnseite (21) und eine gegenüber der Stirnseite (21) geneigte Befestigungsseite (23) mit einer Be¬ festigungsnut (25) aufweist, die zur Aufnahme eines Befesti¬ gungselements ausgebildet ist.
13. Hitzeschildelement (1) nach Anspruch 11 oder 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Mehrzahl von Entlastungsschlitzen (9) an einander gegenüberliegenden Stirnseiten (21) vorgesehen ist.
14. Hitzeschildelement (1) nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Ent¬ lastungsschlitze (9) eine dreieckige Schnittfläche (13a) auf¬ weisen .
15. Hitzeschildelement (1) nach einem der vorhergehenden An Sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass dieser aus einem keramischen Material (27), insbesondere aus einer Feuerfestkeramik, besteht.
16. Brennkammer (29) einer Brennkammerwand mit einer Anzahl von Hitzeschildelementen (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche .
17. Gasturbine (31) mit einer Brennkammer (29) nach Anspruch 16.
Description:
Beschreibung

Hitzeschildelement zur Auskleidung einer Brennkammerwand, Brennkammer sowie Gasturbine

Die Erfindung betrifft einen Hitzeschildstein, insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammerwand, mit einer einem heißen Medium aussetzbaren Heißseite, einer der Heißseite gegenüberliegenden Wandseite und einer an die Heißseite und die Wand- seite angrenzenden Umfangsseite . Die Erfindung betrifft wei ¬ terhin eine Brennkammer mit einer Brennkammerwand sowie eine Gasturbine .

Ein thermisch und/oder thermomechanisch hochbelasteter Brenn- räum, wie beispielsweise ein Brennofen, ein Heißgaskanal oder eine Brennkammer einer Gasturbine, in dem ein heißes Medium erzeugt und/oder geführt wird, ist zum Schutz vor zu hoher thermischer Beanspruchung mit einer entsprechenden Auskleidung versehen. Die Auskleidung besteht üblicherweise aus hit- zeresistentem Material und schützt eine Wandung des Brenn ¬ raums vor dem direkten Kontakt mit dem heißen Medium und der damit verbundenen starken thermischen Belastung.

Die US-Patentschrift 4,840,131 betrifft eine Befestigung von keramischen Auskleidungselementen an einer Wand eines Ofens. Hierbei ist ein Schienensystem, welches an der Wand befestigt ist und eine Mehrzahl von keramischen Schienenelementen aufweist, vorgesehen. Durch das Schienensystem können die Auskleidungselemente an der Wand gehaltert werden. Zwischen ei- nem Auskleidungselement und der Wand des Ofens können weitere keramische Schichten vorgesehen sein, u.a. eine Schicht aus losen, teilweise komprimierten Keramikfasern, wobei diese Schicht zumindest etwa die selbe Dicke wie die keramischen Auskleidungselemente oder eine größere Dicke aufweist. Die Auskleidungselemente weisen hierbei eine rechteckige Form mit planarer Oberfläche auf und bestehen aus einem wärmeisolie ¬ renden, feuerfesten keramischen Fasermaterial.

Die US-Patentschrift 4,835,831 behandelt ebenfalls das Auf ¬ bringen einer feuerfesten Auskleidung auf einer Wand eines Ofens, insbesondere auf einer vertikal angeordneten Wand. Auf die metallische Wand des Ofens wird eine aus Glas-, Keramik- oder Mineralfasern bestehende Schicht aufgebracht. Diese

Schicht wird mittels metallischen Klammern oder durch Kleber an der Wand befestigt. Auf dieser Schicht wird ein Drahtma ¬ schennetz mit wabenförmigen Maschen aufgebracht. Das Maschennetz dient ebenfalls der Sicherung der Schicht aus Keramikfa- sern gegen ein Herabfallen. Auf die so befestigte Schicht wird mittels eines geeigneten Sprühverfahrens eine gleichmä ¬ ßige geschlossene Oberfläche aus feuerfestem Material aufge ¬ bracht. Mit dem beschriebenen Verfahren wird weitgehend vermieden, dass während des Aufsprühens auftreffende feuerfeste Partikel zurückgeworfen werden, wie dies bei einem direkten Aufsprühen der feuerfesten Partikel auf die metallische Wand der Fall wäre.

Eine keramische Auskleidung der Wandungen von thermisch hoch beanspruchten Brennräumen, beispielsweise von Gasturbinenbrennkammern, ist in der EP 0 724 116 A2 beschrieben. Die Auskleidung besteht aus Wandelementen aus hochtemperaturbe ¬ ständiger Strukturkeramik, wie z.B. Siliziumkarbid (SiC) oder Siliziumnitrid (Si3N 4 ) . Die Wandelemente sind mechanisch mit- tels eines zentralen Befestigungsbolzens federelastisch an einer metallischen Tragstruktur (Wandung) der Brennkammer befestigt. Zwischen den Wandelement und der Wandung des Brennraumes ist eine dicke thermische Isolationsschicht vorgese ¬ hen, sodass das Wandelement von der Wandung der Brennkammer entsprechend beabstandet ist. Die im Verhältnis zum Wandele ¬ ment etwa dreimal so dicke Isolationsschicht besteht aus ei ¬ nem keramischen Fasermaterial, das in Blöcken vorgefertigt ist. Die Abmessungen und die äußere Form der Wandelemente sind an die Geometrie des auszukleidenden Raums anpassbar.

Eine andere Art der Auskleidung eines thermisch hoch belasteten Brennraums ist in der EP 0 419 487 Bl angegeben. Die Auskleidung besteht aus Hitzeschildelementen, die mechanisch an

einer metallischen Wandung des Brennraums gehaltert sind. Die Hitzeschildelemente berühren die metallische Wandung direkt. Um eine zu starke Erwärmung der Wandung zu vermeiden, z.B. infolge eines direkten Wärmeübergangs vom Hitzeschildelement oder durch Einbringen von heißem Medium in die durch die voneinander angrenzenden Hitzeschildelementen gebildeten Spalte, wird der von der Wandung des Brennraums und dem Hitzeschild ¬ element gebildete Raum mit Kühlluft, der sogenannten Sperr ¬ luft beaufschlagt. Die Sperrluft verhindert das Vordringen von heißem Medium bis zur Wandung und kühlt gleichzeitig die Wandung und das Hitzeschildelement.

Die WO 99/47874 betrifft ein Wandsegment für einen Brennraum sowie einen Brennraum einer Gasturbine. Hierbei wird ein Wandsegment für einen Brennraum, welcher mit einem heißen

Fluid, z.B. einem Heißgas, beaufschlagbar ist, mit einer metallischen Tragstruktur und einem auf der metallischen Tragstruktur befestigten Hitzeschutzelement angegeben. Zwischen die metallische Tragstruktur und das Hitzeschutzelement wird eine verformbare Trennlage eingefügt, die mögliche Relativbe ¬ wegungen des Hitzeschutzelements und der Tragstruktur aufnehmen und weitgehend ausgleichen soll. Solche Relativbewegungen können beispielsweise in der Brennkammer einer Gasturbine, insbesondere einer Ringbrennkammer, durch unterschiedliches Wärmedehnverhalten der verwendeten Materialien oder durch Pulsationen im Brennraum, wie sie bei einer unregelmäßigen Verbrennung zur Erzeugung des heißen Arbeitsmittels oder durch Resonanzeffekte entstehen können, hervorgerufen werden. Zugleich bewirkt die Trennschicht, dass das relativ unelasti- sehe Hitzeschutzelement insgesamt flächiger auf der Trenn ¬ schicht und der metallischen Tragstruktur aufliegt, da das Hitzeschutzelement teilweise in die Trennschicht eindringt. Die Trennschicht kann so fertigungsbedingt Unebenheiten an der Tragstruktur und/oder dem Hitzeschutzelement, die lokal zu einem ungünstigen Krafteintrag führen können, ausgleichen.

Wird die Oberfläche eines Hitzeschildelements plötzlich mit einem heißen Medium, z.B. einem Heißgas aus einer Verbren-

nungsanlage, beaufschlagt, so steigt dessen Temperatur in kurzer Zeit rapide an. Die dadurch verursachten relativen Temperaturdehnungen führen zu thermisch induzierten Spannungen, welche entweder sofort oder nach einer bestimmten Anzahl von Lastwechseln (Lastzyklen) zum Entstehen von Rissen in dem Material des Hitzeschildelements und in der Folge zum Versa ¬ gen des Hitzeschildelements führen können. Je nach Vorhandensein anderer Belastungen wie Schwingungen oder chemische Effekte kann die Schädigungswirkung noch zusätzlich verstärkt werden, so dass die Standzeit des Hitzeschildelements durch die Rissbildung begrenzt ist. Die Hitzeschildelemente müssen daher, insbesondere in Brennkammern von Gasturbinenanlagen, regelmäßig visuell auf Risse untersucht und befundet werden und werden aus Betriebssicherheitsgründen turnusgemäß ausge- tauscht.

Die Erfindung geht von der Beobachtung aus, dass insbesondere keramische Hitzeschildelemente aufgrund ihrer notwendigen Flexibilität hinsichtlich thermischen Ausdehnungen häufig nur unzureichend gegenüber den auftretenden thermomechanischen

Belastungen, insbesondere infolge Temperaturwechselbelastungen, gesichert sind.

Ausgehend von dieser Problematik ist es die Aufgabe der Er- findung ein Hitzeschildelement mit einer erhöhten Standzeit, insbesondere gegenüber thermomechanischen Belastungen, anzugeben. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe einer Brennkammer mit hohen Standzeiten sowie in einer Gasturbine mit einer Brennkammer.

Die auf ein Hitzeschildelement gerichtete Aufgabe wird erfin ¬ dungsgemäß gelöst durch ein Hitzeschildelement, insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammerwand, mit einer einem heißen Medium aussetzbaren Heißseite, einer der Heißseite gegenüber- liegenden Wandseite und einer an die Heißseite und die Wand ¬ seite angrenzenden Umfangsseite, wobei die Umfangsseite eine Umfangsseitenoberflache aufweist, wobei in einem zu thermo- spannungsinduzierter Materialrissbildung neigenden Bereich

gezielt Entlastungsschlitze im Material eingebracht sind, so dass die Rissausbreitung eingeschränkt ist und wobei die Ent ¬ lastungsschlitze sich bis in die Umfangsseitenoberflache erstrecken .

Die Erfindung geht bereits von der Erkenntnis aus, dass wegen der materialtypischen Wärmedehnungseigenschaften und der im Rahmen des Betriebs typischerweise auftretenden Temperaturunterschiede (Umgebungstemperatur beim Stillstand, maximale Temperatur bei Volllast, eine ausreichende Wärmebeweglichkeit von Hitzeschildelementen, insbesondere in Gasturbinenbrennkammern, infolge temperaturabhängiger Dehnung gewährleistet sein muss, damit keine Bauteil zerstörenden Wärmespannungen durch Dehnungsbehinderung auftreten. Dies kann bekanntermaßen dadurch erreicht werden, in dem die vor Heißgasangriff zu schützende Wand durch eine Vielzahl von in ihrer Größe be ¬ grenzten einzelnen Hitzeschildelementen ausgekleidet wird, beispielsweise eine Brennkammerwand einer Gasturbinenbrenn ¬ kammer. Dabei werden zwischen den einzelnen keramischen Hit- zeschildelementen Dehnspalte vorgesehen, die aus Sicherheits ¬ gründen auch im Heißzustand auslegungsgemäß nie völlig ge ¬ schlossen sein dürfen. Es muss dabei sichergestellt werden, dass in die Dehnspalte kein Heißgas eindringt, weil ansonsten die Tragelemente bzw. die Wandstruktur übermäßig erwärmt wird. Der einfachste und sicherste Weg, um dies z.B. bei ei ¬ ner Gasturbinenbrennkammer zu vermeiden ist dabei die Spülung der Dehnspalte mit Luft. Die Umfangsseite weist eine Umfangs ¬ seitenoberflache auf, wobei Entlastungsschlitze sich bis in die Umfangsseitenoberflache erstrecken. Wegen der äußerst ho- hen Temperaturen an der Heißseitenoberfläche ist es am wahr ¬ scheinlichsten, dass dort Rissbildungen auftreten. An den Um- fangsseitenoberflache des Hitzeschildelementes herrschen je ¬ doch auch hohen Temperaturen und es ist nicht auszuschließen, dass dort ebenso wie an der Heißseitenoberfläche Risse ent- stehen können. Deswegen ist es besonders vorteilhaft Entlas ¬ tungsschlitze auch an der Umfangsseitenoberflache einzubrin ¬ gen, besonders in dem Teil der Umfangsseitenoberflache, der an der Heißseite angrenzt und dadurch wärmer ist als der Teil

der Umfangsseitenoberflache der näher an der gekühlten Wandseite ist.

Mit der Erfindung wird nun mehr ein völlig neuer Weg be- schritten, um die Lebensdauer begrenzende Rissbildung, die sich beim Betrieb des Hitzeschildelements zeigt einzuschrän ¬ ken und damit die Standzeiten des Hitzeschildelements erheb ¬ lich zu erhöhen. Dies wird dadurch erreicht, dass in den zu thermospannungsinduzierter Materialrissbildung neigenden Bereich des Hitzeschildelements gezielt Entlastungsschlitze im Material eingebracht sind, so dass die Rissausbreitung einge ¬ schränkt ist. Ein in einem kritischen Bereich ausgebildeter Mikroriss kann dann nur begrenzt wachsen, da seine Ausbrei- tung gestoppt ist, sobald der Riss einen Entlastungsschlitz erreicht. Auf diese Weise können Materialrisse in ihrer Länge auf ein Maß begrenzt werden, der für den weiteren Einsatz des Hitzeschildelements unkritisch ist. Durch diese Maßnahme ist in vorteilhafter Weise direkt eine Lebensdauerverlängerung des Hitzeschildelements gegeben, so dass entsprechend längere Standzeiten erzielt sind.

Bezüglich der Ermittlung der besonders zu thermospannungsinduzierter Materialrissbildung neigender Bereich ist die drei- dimensionale Temperaturverteilung innerhalb des Hitzeschild ¬ steins im Belastungsfall zu untersuchen, d.h. bei einer Be ¬ aufschlagung der Heißseite mit einem heißen Medium, beispielsweise einem Heißgas, und einer üblicherweise durchzu ¬ führenden Kühlung des Hitzeschildelements von der Wandseite her mit einem Kühlfluid, beispielsweise Kühlluft. Beispiels ¬ weise haben Untersuchungen an Hitzeschildelementen im Zusammenhang mit der Erfindung gezeigt, dass sich innerhalb des Hitzeschildelements sich infolge der kühlenden Luftströmung an den Kanten und der Heißgaseinwirkung auf die Heißseite des Hitzeschildelements (Hitzeschildoberfläche) eine dreidimen ¬ sionale Temperaturverteilung einstellt. Diese Temperaturverteilung ist geprägt durch einen Temperaturabfall von der Heißseite zu der Wandseite sowie von zentralen Punkten im In-

neren des Hitzeschildelements hin zu den kühleren Bereichen an der Umfangsseite infolge einer Kühlung. Bei typischerweise parallel zur Wandseite flachen Hitzeschildelementen, bei denen die Heißseite gegenüber der Umfangsseite unter Bildung einer Kante geneigt ist, sind die Kantenbereiche infolge ei ¬ ner Kantenkühlung kühler als zentrale Bereiche der Heißseite. Bei diesen typischerweise parallel zur Wandseite flachen Hit ¬ zeschildelementen führt der Temperaturgradient senkrecht zur Heißseitenoberfläche zur vergleichsweise nur geringen thermi- sehen Spannungen, so lange für das Hitzeschildelement im Ein ¬ bauzustand keine Behinderung der zu verzeichnenden Aufwölbung vorliegt .

Dagegen führt ein zur Heißseite bzw. zur Wandseite paralleler Temperaturgradient - ausgehend von der Umfangseite zum Inne ¬ ren des Hitzeschildelements - aber infolge der Steifigkeit der plattenähnlichen Geometrien bezüglich Verformungen parallel zu ihrer größten Projektionsfläche leicht zu erhöhten Thermospannungen, die in den kritischen Bereichen besonders ausgeprägt sind. Relativ kühle Bereiche, wie z.B. die Kanten, werden dabei infolge ihrer vergleichsweisen geringen thermischen Dehnung von den heißeren Zentralbereichen, die einer größeren thermischen Dehnung unterworfen sind unter einer thermomechanisch induzierte Zugspannung gesetzt und können bei Überschreiten der Materialfestigkeit zur Rissbildung, bevorzugt ausgehend von den Kanten des Hitzeschildelements füh ¬ ren. Die thermospannungsinduzierte Rissbildung kann dabei nur bis zu einer bestimmten, vom Temperaturprofil abhängigen Risslänge fortschreiten. Entsteht ein Riss, so führt dieser zu einem totalen Spannungsabbau. Kurze thermische Risse haben keinen merklichen Einfluss auf die verbleibende Tragfähigkeit des Hitzeschildelements gegenüber mechanischen Krafteinwirkungen. Treten jedoch Risse größer als eine kritische Länge auf, so wird die mechanische Tragfähigkeit des Hitzeschild- elements deutlich verringert und es besteht die akute Gefahr des Versagens. Mit dem Hitzeschildelement der Erfindung kann die Bildung langer thermospannungsinduzierter Risse im Material vermieden werden, wenn in den zu thermospannungsindu-

zierter Materialrissbildung neigenden Bereichen gezielt Entlastungsschlitze im Material vorgesehen sind, so dass die Rissausbreitung eingeschränkt bzw. gestoppt ist.

Bevorzugt ist dabei, dass die Anzahl vom Materialabstand, die Anordnung und die Geometrie der Entlastungsschlitze so fest ¬ gelegt, dass die mechanische Tragfähigkeit des Hitzeschild ¬ elements nur unwesentlich durch die Entlastungsschlitze selbst beeinträchtigt ist. Durch das Einbringen mehrerer re- lativ kurzer Entlastungsschlitze kann die thermische Spannung ebenso abgebaut werden, wie dies auch in analoger Weise durch die betriebsbedingte Ausbildung eines oder weniger thermo- spannungsinduzierter Risse erfolgt. Von großer Bedeutung für die verbleibende Tragfähigkeit des Hitzeschildelements ist aber letztendlich die maximale Riss- bzw. Schlitzlänge der Entlastungsschlitze. Hier sind mehrere kurze Entlastungs ¬ schlitze günstiger als ein längerer Riss. Die Querschnitts ¬ form des Entlastungsschlitzes kann bevorzugt gezielt so ein ¬ gestellt sein, dass ein maximaler Spannungsabbau bei minima- ler Schwächung der Tragfähigkeit des Hitzeschildelements er ¬ reicht ist. Diese Lösung ist dabei vorteilhafter Weise in vielen Fällen einsetzbar, bei denen durch chemische oder physikalische Effekte Dehnungsgradienten von einer Umfangsseite in das Innere eines Bauteils aus einem Material entstehen. Anstelle thermospannungsinduzierte Risse unkontrolliert ent ¬ stehen und sich fortpflanzen zu lassen, sind Entlastungsschlitze gezielt mit definierter Tiefe und Geometrie und de ¬ finierten Abständen zueinander eingebracht.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist die Heißseite eine Heißseitenoberfläche auf, wobei Entlastungsschlit ¬ ze sich bis in die Heißseitenoberfläche erstrecken. Untersu ¬ chungen haben gezeigt, dass die Rissausbildung und das Riss ¬ wachstum aufgrund der hohen Temperatur des heißen Mediums im Bereich der Heißseitenoberfläche besonders ausgeprägt ist. Daher ist die mechanische Tragfähigkeit des Hitzeschildele ¬ ments schädigende Materialschwächung durch Rissbildung und Risswachstum in Bereichen oder Teilbereichen der Heißseiten-

Oberfläche besonders gravierend und lebensdauerbeschränkend. Die Rissbildungseffekte auf der Heißseitenoberfläche tragen daher zu einem erheblichen Maße zu der Schwächung der mechanischen Tragfähigkeit des Hitzeschildelements im Einsatzfall bei. Die Materialschwächung kann dabei Ausmaße annehmen, das Material von der Heißseitenoberfläche in Bereichen starker Rissdichte und großer Risslängen sich herauslöst bzw. in der Folge der Beaufschlagung mit dem heißen strömenden Medium zunehmend abgetragen wird. Daher ist es besonders vorteilhaft, wenn sich die Entlastungsschlitze bis in die Heißseitenober ¬ fläche hin erstrecken. Auf diese Weise wird das Risswachstum in den besonders kritischen Bereichen der Heißseitenoberflä ¬ che gestoppt und für einen Spannungsabbau gesorgt. Eine wei ¬ tere Materialschwächung ist dadurch vermieden.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Heißseitenoberfläche von einer Vielzahl von Entlastungsschlitzen durchsetzt, so dass hierdurch eine zweidimensionale gitterar ¬ tige Oberflächenstruktur in dem Material aus einer Vielzahl benachbart zueinander angeordneter Säulen ausgebildet ist. Anstelle Risse unkontrolliert entstehen zu lassen, wird die Heißseitenoberfläche gezielt mit Entlastungsschlitzen defi ¬ nierter Höhe und Geometrie und definierter Abstände zueinan ¬ der versehen. Je kürzer die Durchmesser der Säulen der zwei- dimensionalen gitterartigen Oberflächenstruktur, desto kürzer werden die thermischen Risse, die im Betrieb entstehen können. Jedoch, vor allem die mechanische Tragfähigkeit des Hit ¬ zeschildes muss beachtet werden. Deswegen ist ein sehr dichtes Gitter aus Säulen an der Heißseitenoberfläche nicht unbe- dingt von Vorteil. Aus demselben Grund muss auch eine geeig ¬ nete Höhe der Entlastungsschlitze eingestellt werden - zu tiefe Säulen an der Heißseitenoberfläche könnten die Tragfä ¬ higkeit des Hitzeschildelements deutlich verschlechtern.

Weiter bevorzugt ist, dass die Säulen eine dreieckige, vier ¬ eckige oder sechseckige Grundfläche aufweisen. Die sechsecki ¬ ge Form entfaltet bei physikalischer Belastung häufig eine bessere Wirkung gegenüber den anderen Formen, wie man bei-

spielsweise an den Rissen in den Böden ausgetrockneter Seen beobachten kann. Allerdings lassen sich die anderen Formen in der Regel einfacher herstellen. Kombinationen von zwei oder mehreren Formen, bei denen ein sich wiederholendes Muster entsteht, sind auch möglich.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Höhe der Säulen so eingestellt, dass eine vorgegebene thermische Iso ¬ lationswirkung im Betriebsfall erzielt ist. Wie bereits er- wähnt sollen zu tiefe Entlastungsschlitze an der Heißseiten ¬ oberfläche vermieden werden. Neben der mechanischen Stabilität des Hitzeschildelements, ist ein weiterer Grund warum die Höhe der Säulen eingeschränkt werden soll, die damit einher ¬ gehende teilweise schlechtere thermische Isolationswirkung des Hitzeschildes.

Als Teil der Auskleidung einer Brennkammerwand ist die Aufga ¬ be eines Hitzeschildelements die Tragelemente und die Wand ¬ struktur vor der hohen Hitze im Inneren der Brennkammer zu schützen. Um diese Aufgabe bewältigen zu können, muss das

Hitzeschildelement bei einer vorgegebenen Wärmeleitfähigkeit des Materials eine gewisse Mindesthöhe (Dicke) aufweisen. Durch das Einbringen von Entlastungsschlitze im Material wird die effektive Materialhöhe des Hitzeschildelements an einigen Stellen lokal verringert. Diese Nebenwirkung der Entlastungs ¬ schlitze muss bei der Konzeption des Hitzeschildelements in Betracht gezogen werden. Dieses Problem kann auf zwei Weisen behoben werden. Einerseits kann bei der Auslegung der Höhe des Hitzeschildelements ein Zuschlagsfaktor berücksichtigt werden. Jedoch ist die bessere Methode die Höhe der Entlas ¬ tungsschlitze im Vergleich zur Höhe des Hitzeschildelements so klein auszulegen, dass die Änderung der Gesamthöhe des Hitzeschildelements nicht oder kaum erforderlich ist und da ¬ durch die thermische Isolationswirkung der Brennkammeraus- kleidung nicht wesentlich beeinträchtigt wird.

Bevorzugtermassen soll auch der Durchmesser der Säulen an der Heißseitenoberfläche so ausgelegt sein, dass ein zulässiger lebensdauerbegrenzender Spannungswert bei einer thermischen Belastung nicht überschritten ist. Bei einer schockartigen oder zyklischen Temperaturbelastung durch ein angrenzendes Fluid, wie z.B. in einer Brennkammer, kann der Durchmesser der Säulen auch nicht beliebig groß oder klein gewählt wer ¬ den. Der Durchmesser ist direkt proportional zum lebensdauer ¬ begrenzenden Spannungswert des Systems und in diesem Fall muss der Durchmesser so ausgelegt werden, dass ein zulässiger lebensdauerbegrenzender Spannungswert bei vorgegebenen Werk ¬ stoffkenngrößen nicht überschritten wird. Die Werkstoffkenn ¬ größen umfassen im Wesentlichen den Wärmeausdehnungskoeffi ¬ zient und die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes, die Tempe- raturen des Fluids und Temperatur der Heißseitenoberfläche vor Aufbringung der Temperaturbelastung, den Elastizitätsmo ¬ dul, die Querkontraktionszahl des Werkstoffes und nicht zu ¬ letzt die Geometrielastfunktion, die unter anderem von der Anzahl der Ecken und der Gestaltung der Kanten abhängt. Die Abhängigkeit des lebensdauerbegrenzenden Spannungswertes von den oben angegebenen Werkstoffkenngrößen ist die folgende:

σ(α,α e ,c p ,λ,T M , T H ,E,υ,D,h, Y) mit σ lebensdauerbegrenzender Spannungswert α äußerer Wärmeausdehnungskoeffizient α e äußerer Wärmeübergang λ Wärmeleitfähigkeit

Cp Wärmekapazität T M Temperatur des Fluids

T H Temperatur der Heißseitenoberfläche

E Elastizitätsmodul υ Querkontraktionszahl des Werkstoffes

D Durchmesser der Säulen h Höhe der Säulen

Y Geometrielastfunktion, für kreisförmige Heißseitenoberfläche

In diesem Fall ist der lebensdauerbegrenzende Spannungswert σ vorgegeben und der Durchmesser D der Säulen ist die wesentliche Auslegungsgröße, die sich mittels der oben genannten Ab ¬ hängigkeit bestimmen lässt.

Bevorzugtermassen erstrecken sich die Entlastungsschlitze von der Heißseite bis in die Umfangsseite, wobei die entlang der Umfangsseite gemessene Tiefe der Entlastungsschlitze kleiner ist als die durch den Abstand zwischen der Heißseite und der Wandseite definierte Höhe des Hitzeschildelementes. Das ist eine besonders günstige Ausgestaltung der Entlastungsschlit ¬ ze, denn somit werden Schutzmassnahmen entlang der Höhe des Hitzeschildelementes proportional des Gefährdungsgrades ge- troffen. Damit die mechanische Stabilität und Hochtemperatur- isolierungseigenschaften des Hitzeschildelementes nicht be ¬ einträchtigt werden, werden nur diese Bereiche mit Entlas ¬ tungsschlitze versehen, die zu einer thermospannungsinduzier- ten Materialrissbildung neigen. Das sind die Bereiche auf der Heißseite in der Nähe der Kanten und die Bereiche auf der Um ¬ fangsseite, die an die Heißseitenoberfläche angrenzen und auch kantennah liegen. Dabei findet in Richtung des Temperaturabfalls von der Heißseite zur Wandseite eine graduelle Verringerung der Schlitzlänge statt, wobei eine dreieckige Schnittfläche des Entlastungsschlitzes gebildet ist.

Vorzugsweise sind Entlastungsschlitze vorgesehen, die sich von der Heißseite bis zu der Wandseite erstrecken, wobei die Schlitzlänge gemessen entlang der Heißseite größer ist als die Schlitzlänge entlang der Wandseite. Der Unterschied in der Länge der Entlastungsschlitze entlang der Heißseite und entlang der Kaltseite ist durch den jeweiligen Temperaturgradient bedingt. Auf der Heißseite, wo die Gefahr der Rissbil ¬ dung höher ist, sind längere Entlastungsschlitze besonders wirkungsvoll. Andererseits ist auf der kühleren Wandseite wird vor allem auf die mechanische Stabilität und die thermi ¬ sche Isolationswirkung des Hitzeschildelementes zu achten. Deshalb genügt eine viel kürzere Schnittlänge auf der kühle-

ren Wandseite. Dabei findet auch in dieser Ausführung in Richtung des Temperaturabfalls eine graduelle Verringerung der Schlitzlänge statt.

Weiter bevorzugt ist, dass der Entlastungsschlitz am Schlitzgrund eine Ausrundung mit einem Rundungsradius zur Einstel ¬ lung einer vorgegebenen Kerbwirkung aufweist. Untersuchungen haben gezeigt, dass durch die Einbringung einer Ausrundung am Schlitzgrund eine hohe Standfestigkeit und geringe Kerbwir- kung erreicht wird. Insbesondere können hierdurch lokal hohe thermomechanische Spannungen am Nutgrund vermieden werden.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung weist die Umfangs- seite eine Stirnseite und eine gegenüber der Stirnseite ge- neigte Befestigungsseite auf, wobei Entlastungsschlitze an der Stirnseite vorgesehen sind. Da vor allem eine hohe mecha ¬ nische Stabilität der Befestigungsseite sicher gestellt wer ¬ den sollte, ist es vernünftig, dass an ihrer Oberfläche keine Entlastungsschlitze eingebracht werden, sondern dass nur die Stirnseite mit solchen Entlastungsschlitzen versehen ist.

Weiterhin von Vorteil ist, dass die Umfangsseite eine Stirn ¬ seite und eine gegenüber der Stirnseite geneigte Befesti ¬ gungsseite mit einer Befestigungsnut aufweist, die zur Auf- nähme eines Befestigungselements ausgebildet ist. Das Befes ¬ tigungselement kann eine Klammer, ein Hacken oder ein Bolzen sein, das in die Nut eingreift. Somit kann das Befestigungs ¬ element direkt an der Tragstruktur im Brennraum aufgelegt werden und die Gefahr einer Unterströmung wird vermieden. Be- sonders vorteilhaft ist es die Befestigung lösbar auszuges ¬ talten, wobei eine federelastische Halterung des Hitzeschild ¬ elementes möglich ist.

Vorzugsweise ist eine Mehrzahl von Entlastungsschlitzen an einander gegenüberliegenden Stirnseiten vorgesehen. Somit wird eine Materialschwächung durch Rissbildung wirkungsvoll unterdrückt, ohne dass die mechanische Stabilität der Befes ¬ tigungsseiten beeinträchtigt wird.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform weisen die Entlastungsschlitze eine dreieckige Schnittfläche auf. Besonders vorteilhaft ist, wenn diese Entlastungsschlitze mit dreiecki- gen Schnittfläche an den Kanten des Hitzeschildelementes ein ¬ gebracht sind. Dabei kann die Tiefe der Entlastungsschlitze, gemessen entlang der Umfangsseite, sich bis zum Rand zwischen der Umfangsseite und der Wandseite erstrecken, so dass in diesem Fall die Tiefe des Entlastungsschlitzes gleich der Hö- he des Hitzeschildelementes ist. Es ist jedoch vorteilhafter, dass sich die Entlastungsschlitze nicht so weit entlang der Umfangsseite erstrecken, sondern dass ihre Tiefe kleiner ist als die Höhe des Hitzeschildelementes.

Bevorzugt besteht das Hitzeschildelement aus einem kerami ¬ schen Material, insbesondere aus einer Feuerfestkeramik. Feu ¬ erfeste Keramikwerkstoffe sind aufgrund ihrer Materialeigen ¬ schaften wie hohe mechanische Festigkeit, hohe zulässige Einsatztemperatur, Formstabilität, Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und geringe Wärmeleitfähigkeit besonders geeignet für einen Einsatz als thermischer Isolator bei sehr hohen Temperaturen und Temperaturgradienten, wie z.B. in einer Brennkammer.

Die auf eine Brennkammer gerichtete Aufgabe wird erfindungs ¬ gemäß gelöst durch eine Brennkammer mit einer inneren Brennkammerauskleidung, die Hitzeschildelemente gemäß den obigen Ausführungen aufweist.

Die auf eine Gasturbine gerichtete Aufgabe wird erfindungsge ¬ mäß gelöst durch eine Gasturbine mit einer solche Hitze ¬ schildelemente aufweisenden Brennkammer.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen hierbei schematisch und teilweise ver ¬ einfacht :

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Gasturbinenanlage,

Fig. 2 in perspektivischer Ansicht ein Hitzeschildelement gemäß der Erfindung, Fig. 3 in Vorderansicht ein Hitzeschildelement mit Vergrö ¬ ßerung eines Entlastungsschlitzes,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen Teil eines Hitze ¬ schildelementes mit einem Entlastungsschlitz der sich von der Heißseite bis in die Umfangsseite er- streckt,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen Teil eines Hitze ¬ schildelementes mit einem Entlastungsschlitz der sich von der Heißseite bis zur Wandseite erstreckt,

Fig. 6 eine Draufsicht auf die Heißseite eines Hitze- Schildelementes mit einem quadratischen Muster der

Säulen,

Fig. 7 eine Draufsicht auf die Heißseite eines Hitze ¬ schildelementes mit einem sechseckigen Muster der Säulen, und Fig. 8 eine Tragstruktur mit daran befestigten Hitzeschildelementen .

In Fig. 1 ist schematisch eine Gasturbinenanlage 33 darge ¬ stellt. Sie umfasst eine Brennkammer 29 mit einem Brennstoff- zufuhrsystem 47 und die entlang einer Achse 39 angeordneten Luftverdichter 35, Gasturbine 31 und elektrischen Generator 37. Umgebungsluft L wird von dem Luftverdichter 35 angesaugt, komprimiert und anschließend zur Brennkammer 29 geführt, wo sie zusammen mit dem Brennstoff B vermischt und verbrannt wird, wobei ein Heißgas M entsteht. Die Brennkammer 29 ist mit einer hitzebeständigen Brennkammerauskleidung ausgestattet, die aus einer Anzahl von flächendeckend nebeneinander angeordneten Hitzeschildelementen 1 gebildet ist. Die Gasturbine wird vom Heißgas M, das die Brennkammer 29 unter hohem Druck verlässt, angetrieben. Das Heißmedium M durchströmt da ¬ bei die Gasturbine 31 antreibend und entweicht als Abgas A. Das Abgas A wird in einer in dieser Figur nicht näher dargestellten Filteranlage gefiltert und nach dem Filtrierungspro-

zess in die Atmosphäre freigelassen. An die Gasturbine 31 ist ein Generator 37 angekoppelt, der zur Erzeugung elektrischer Energie dient. Der Generator 37 ist mit einem elektrischen Netzwerk verbunden und die elektrische Energie, die vom Gene- rator 37 erzeugt wird, wird in dieses Netzwerk eingespeist.

In Fig. 2 ist in perspektivischer Ansicht ein Hitzschildelement 1 gezeigt, der ein Teil der Auskleidung der Brennkammer 29 in Fig. 1 ist. Das Hitzeschildelement 1 in dieser Ausges- taltung ist quaderförmig, insbesondere mit einer nahezu quad ¬ ratischen Grundfläche. Das Hitzeschildelement weist eine Heißseite 3, eine der Heißseite 3 gegenüberliegende Wandseite 5, die in dieser Abbildung nicht näher dargestellt ist, und eine an die Heißseite 3 und die Wandseite 5 angrenzende Um- fangsseite 7 auf. Die Umfangsseite 7 setzt sich aus zwei

Stirnseiten 21 und zwei Befestigungsseiten 23 zusammen. Jede der gegenüberliegenden Befestigungsseiten 23 weist eine Befestigungsnut 25 auf. Die Funktion der Befestigunsnut 25 ist in Fig. 8 im Detail beschrieben. Die Heißseite 3 weist eine Vielzahl von Entlastungsschlitzen 9 auf, die sich bis in die Stirnseite 21 erstrecken. Die Entlastungsschlitze 9 in dieser Ausführungsform erreichen nicht die Wandseite 5 und weisen eine dreieckige Schnittfläche 13a auf. Somit ist die von der Heißseite 3 und der Stirnseite 21 gebildete Kante 49 mit ei- ner Anzahl von nahezu äquidistanten Entlastungsschlitzen 9 geschlitzt .

Fig. 3 zeigt in Vorderansicht ein Hitzeschildelement 1 mit einer Vielzahl von Entlastungsschlitzen 9. Die von der Heiß- seite 3 und der Stirnseite 21 gebildete Kante 49 ist im Be ¬ trieb einem heißen Medium M ausgesetzt. Die Wandseite 5 und die Stirnseite 21 bilden die Kante 51. Die Umfangsseite 7, die in dieser Abbildung detailliert gezeigt ist, ist in die ¬ sem Ausführungsbeispiel gleichzeitig auch eine der Stirnsei- ten 21. Die seitlichen Ränder der Stirnseite 21 stellen die zwei Befestigungsseiten 23 dar, an denen die Profile der Befestigungsnuten 25 erkennbar sind.

Eine Vergrößerung eines Entlastungsschlitzes 9 ist gesondert dargestellt. Der Entlastungsschlitz 9 ist in der Heißseitenoberfläche 3 eingeschnitten, und weist eine Tiefe T auf, so dass sich lokal die effektive Höhe H des Materials des Hitze- schildelementes 1 verringert. Der Entlastungsschlitz weist außerdem am Schlitzgrund 19 eine Ausrundung mit einem Rundungsradius R auf. Mittels dieser Ausrundung können lokal ho ¬ he thermomechanische Spannungen am Schlitzgrund 19 vermieden werden und dadurch eine geringere Kerbwirkung erreicht wer- den.

Fig. 4 und Fig. 5 zeigen verschiedene Ausführungsformen eines Entlastungsschlitzes 9. In diesen Figuren wird ein Längs ¬ schnitt durch einen Teil eines Hitzeschildelementes 1 mit Hö- he H gezeigt. Der obere Rand stellt einen Schnitt durch die Heißseite 3 dar, und der untere Rand durch die Wandseite 5. Einen Schnitt durch die Stirnseite 21 wird ebenso in beiden Figuren gezeigt. Ein Entlastungsschlitz 9 erstreckt sich bis in die Heißseitenoberfläche 3, wobei er eine Schlitzlänge Li gemessen entlang der Heißseite aufweist. In Fig. 4 weist der Entlastungsschlitz 9 eine Tiefe T auf, wobei das Maß der Tie ¬ fe T geringer ist als das Maß der Höhe H des Hitzeschildele ¬ mentes 1. Das bedeutet, dass der Entlastungsschlitz 9 sich in die Stirnseite 21 erstreckt, ohne dass er die Wandseite 5 er- reicht, z.B. hier gezeigt etwa 50% der Höhe H entspricht der Tiefe T des Entlastungsschlitzes. Somit weist der Entlas ¬ tungsschlitz 9 eine dreieckige Schnittfläche 13a auf. Im Ge ¬ gensatz zu der Ausführungsform in Fig. 4, erreicht in Fig. 5 der Entlastungsschlitz 9 die Wandseite 5 und erstreckt sich bis zu einer Länge L 2 in die Wandseite 5. Somit weist der Entlastungsschlitz 9 eine trapezförmige Schnittfläche 13b auf. Damit die stärker gefährdeten Bereiche besser vor Rissbildung geschützt werden, ist es bei der Auslegung des Hitze ¬ schildelementes 1 wichtig, dass die Schlitzlänge Li gemessen entlang der Heißseite 3 größer ist als die Schlitzlänge L 2 entlang der Wandseite 5. Dies liegt darin begründet, dass die Gefahr der Rissbildung auf der Heißseite 3 deutlich höher ist als auf der kühleren Wandseite 5.

In Fig. 6 und Fig. 7 ist eine Draufsicht auf die Heißseite 3 eine Hitzeschildelementes 1 dargestellt, wobei in den zwei Figuren zwei verschiedene Ausführungsformen der Oberflächen- struktur IIa und IIb der Säulen 15 gezeigt sind. Von allen vier Seiten ist die Heißseite 3 von den Kanten 49 begrenzt. An der Heißseitenoberfläche 3 sind Entlastungsschlitze 9 in Form eines Gitters oder Netzes eingebracht, so dass hierdurch eine Anzahl von Säulen 15 mit Durchmesser D entsteht. Die Säulen 15 weisen in Fig. 6 eine quadratische Grundfläche 17a und in Fig. 7 eine sechseckförmige Grundfläche 17b auf. Somit entstehen zwei unterschiedliche Oberflächenstrukturen IIa und IIb. In Fig. 6 weist die Oberflächenstruktur IIa ein quadratisches Muster und in Fig. 7 weist die Oberflächenstruktur IIb ein sechseckiges wabenförmiges Muster auf.

Fig. 8 zeigt eine Tragstruktur 45 mit daran befestigten Hitzeschildelementen Ia und Ib. Es ist eine Draufsicht ist auf die Heißseiten 3 der Hitzeschildelemente Ia und Ib darge- stellt. Die Heißseiten 3 sind von den Kanten 49 begrenzt. An zwei gegenüberliegenden Kanten 49 ist eine Anzahl von nahezu äquidistanten Entlastungsschlitzen 9 eingebracht, analog wie in Fig. 2 dargestellt. Entlang der zwei anderen gegenüberlie ¬ genden Kanten 49 ist die Projektion der Befestigunsnuten 25 gezeigt. Die Hitzeschildelemente Ia und Ib sind benachbart zueinander an der Tragstruktur 45 angebracht. Zur Befestigung werden Befestigungselemente 41 verwendet, die in die jeweili ¬ ge Befestigungsnut 25 der Hitzeschildelemente Ia und Ib ein ¬ greifen. Zugleich weist die Tragstruktur 45 auch eine Be- festigungsnut 43 auf, die z.B. als eine Ausfräsung in der

Tragstruktur 45 ausgestaltet ist. Das Befestigungselement 25 greift auch in die Befestigungsnut 43 der Tragstruktur 45 und somit werden die Hitzeschildelemente Ia und Ib an der Trag ¬ struktur 45 fixiert.