Rohrbrennkammer mit keramischer Auskleidung

Die Erfindung betrifft eine Rohrbrennkammer mit keramischer Auskleidung .

Zur Herstellung einer keramisch ausgekleideten Rohrbrennkam mer ist eine _W erkstoff- und montagegerechte Konstruktion not wendig .

Die sorgfältige Integration der bruchempfindlichen kerami schen Monolithe in die Metallumgebung ist besonders wichtig, da die Rohrbrennkammer starken Verbrennungsschwingungen bzw. Vibrationen ausgesetzt ist. Die vibrationsdämpfende, dauer hafte Lagerung der Keramik stellt daher eine konstruktive Hauptaufgabe dar. Bei der Lagerung ist insbesondere darauf zu achten, dass die Keramik durch den Einbau in das Gehäuse kei ner kritischen Zug- oder Schubbeanspruchung ausgesetzt ist. Beim Betrieb erfährt der keramische Einsatz neben den durch die Lagerung verursachten Verbundspannungen die durch die Verbrennung entstehenden Lastspannungen . Diese Beanspruchun gen ergeben zusammen mit den herstellungsbedingten Eigenspan nungen die Gesamtspannungsverteilung, bei der Druckspannungen für das Bauteil kritische Zugspannungen unschädlich überla gern können. Eine Brennkammer mit Auskleidung ist beispiels weise in der WO 2015/038293 offenbart.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen solchen keramischen Ein satz sorgfältig in den metallischen Mantel eine Brennkammer einzubauen und ggf. eine Schnittstellengeometrie keramischer Segmente einer solchen Brennkammer untereinander so zu ge stalten, dass Wärmedehnungen nicht behindert werden. Ferner muss die Schnittstellengeometrie verschiedene zusätzliche Funktionen erfüllen, wie die Übertragung von axialen und ra dialen Verbundlasten, die eindeutige Definition der Lage und Verdrehsicherung der Einzelelemente, die Abdichtung zwischen Heiß- und Kaltgasseite sowie die Vermeidung von Zugspannungen im Schnittstellenbereich.

Die Erfindung löst die auf eine Brennkammer gerichtete Aufga be, indem sie vorsieht, dass bei einer derartigen Brennkam mer, umfassend einen um eine Hauptachse der Brennkammer ange ordneten Mantel und ein innerhalb des Mantels angeordnetes Keramikrohr, zwischen Mantel und Keramikrohr eine Zwischen schicht angeordnet ist, der Mantel zumindest teilweise ko nisch ist und das Keramikrohr entlang der Hauptachse in den Mantel axial verspannt ist, wobei das Keramikrohr ein Verbund aus mehreren Hitzeschildsegmenten ist und wobei einzelne Hit zeschildsegmente einer Segmentreihe, welche jeweils eine mit einem heißen Medium beaufschlagbare Heißseite, eine der

Heißseite gegenüberliegende, dem Mantel zugewandte Kaltseite und einen zwischen Heißseite und Kaltseite umlaufenden Rand aufweisen, im kalten Zustand auf dem Rand an die Kaltseite anschließende Anlageflächen und sich zur Heißgasseite öffnen de Spalte aufweisen.

Bei der Ausführung mit einzelnen Segmenten werden diese form- und kraftschlüssig in Position gehalten (Torbogenprinzip) und bilden so einen druckvorgespannten Keramikring. Die Realisie rung einer Druckvorspannung wird durch axiales Spannen der Hitzeschildsegmente in einer konischen Gegenfläche erreicht.

Wärmedehnungsunterschiede treten insbesondere zwischen Heiß- und Kaltseite der keramischen Segmente auf. Dabei ist es be sonders vorteilhaft, wenn die Spalte sichelförmig sind. Die kaltseitigen Anlageflächen der Einzelsegmente dienen zur Kraftübertragung in Tangential- und Axialrichtung. Die sich zur Heißseite öffnenden sichelförmigen Spalte, ähnlich einer Nut- und Federverbindung, gewährleisten zum einen unbehinder te Wärmedehnungen und zum anderen einen Formschluss und somit eine Lagedefinition in radialer Richtung. Die Seiten- und Stirnflächengeometrie ist derart auszuführen, dass deren Spaltgeometrie dehnungsangepasst ist und damit eine Minimie- rung der Spalte während des Betriebs realisiert um das Ein dringen von Heißgas weitestgehend zu vermeiden.

Es ist zweckmäßig, wenn zwischen Segmentreihen unebene Stirn flächen vorgesehen sind, so dass im heißen Zustand ein Form schluss zwischen einzelnen Hitzeschildsegmenten in Umfangs richtung entsteht. Für die Schnittstellengeometrie sind vor zugsweise stumpfe Winkel und vergleichsweise große Radien zu verwenden, um zugspannungsbeanspruchte Zonen zu vermeiden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Mantel metallisch.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform besteht das Keramikrohr aus feuerfestem Werkstoff.

Es ist vorteilhaft, wenn die Zwischenschicht eine keramische Quellmatte ist. Quellmatten sind Mineralfasermatten, die ex pandierbare Partikel enthalten. Aufgrund ihrer elastischen Rückstellkräfte üben sie eine Haltekraft auf das Keramikrohr aus. Über das axiale Verspannen der Hitzeschildsegmente wer den Radialkräfte erzeugt, die über diese federnden Elemente zuverlässig auf die keramische Außenfläche übertragen werden.

Alternativ ist es vorteilhaft, wenn die Zwischenschicht Fe der- und/oder Dämpfungselemente umfasst. Diese können kera misch oder metallisch sein.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Mantel an der Öffnung mit dem größten Öffnungsdurchmesser Befestigungs mittel auf, mit deren Hilfe ein Gegenstück gegen die Öffnung gezogen werden kann. Beispielsweise kann das axiale Verspan nen durch einen kraft- und/oder formschlüssig gefügten Me tallring erfolgen. Der Kraftschluss erfolgt vom Metallring über die Keramiksäule und Federn auf die metallische konische Gegenfläche . Mit dem Ziel die Fügekräfte zu begrenzen und variable Geomet rien auszukleiden, kann es vorteilhaft sein, wenn der Mantel zwei konische Teilmäntel umfasst, d.h. der Mantel ist dann in zwei konische Bauteile getrennt (z.B. mit einer in die Mitte verschobenen Trennebene) .

Das Keramikrohr selbst kann zweckmäßigerweise ein Vollzylin der oder ein Vollkonus sein.

Um zwischen den Segmentreihen eine Verdrehung in Umfangsrich tung zu verhindern, sind die Stirnflächen nicht eben, sondern derart auszuführen, dass ein Formschluss zwischen den kerami schen Einzelsegmenten in Umfangsrichtung entsteht. Dazu ist die Schnittstellengeometrie vorzugsweise in einer wellenför migen Geometrie oder jeder anderen formschlussgewährleisten den Geometrie auszuführen. Auch hier sind vorzugsweise stump fe Winkel und vergleichsweise große Radien zu verwenden.

Für die Auskleidung einer Rohrbrennkammer wird also nach der Erfindung ein Keramikverbund aus mehreren Feuerfest-Hitze- schildsegmenten vorgesehen. Der so entstehende Ring oder Ko nus aus Feuerfestkeramik wird mithilfe einer federnden Zwi schenschicht in einem metallischen Gehäuse gelagert. Die Be festigung der keramischen Segmente wird über den Außendruck realisiert, sodass eine Konstruktion ohne Spalte entsteht.

Mit der Erfindung lassen sich grundlegende Konstruktionsprin zipien eines Keramik-Metall-Verbunds in Kombination mit einer bauteil- und kostenreduzierten Konstruktion realisieren. Mit der Erzeugung von Druckvorspannungen in der Keramikaus kleidung wird eine Erhöhung der Beanspruchbarkeit der Keramik ermöglicht. Die Verwendung von Feuerfestkeramik in einer Rohrbrennkammer führt zu einer Reduzierung der Neuteil- und Lebenszykluskosten (durch Erhöhung der Lebensdauer gegenüber der metallischen Lösung) . Zusätzlich sind eine Erhöhung der Temperaturbeanspruchbarkeit sowie eine Reduzierung des Kühl- luftverbrauchs möglich. Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:

Figur 1 einen Ausschnitt einer Verbundlösung für eine Brenn kammer aus den Elementen Mantel, Keramikrohr und Zwi schenschicht,

Figur 2 eine Darstellung der wirkenden Kräfte der Verbundlö sung der Figur 1 in der Seitensicht und

Figur 3 eine Darstellung der wirkenden Kräfte der Verbundlö sung der Figur 1 in der Längssicht,

Figur 4 axiales Spannen am Beispiel eines Metallrings in ge öffnetem Zustand und

Figur 5 axiales Spannen am Beispiel eines Metallrings in ge schlossenem Zustand,

Figur 6 das Prinzip zweier konischer Komponenten mit mittiger

Trennebene,

Figur 7 eine aufgeschnittene Rohrbrennkammer mit Übergangs stück,

Figur 8 eine Nut-Feder-ähnliche Verbindung von Hitze

schildsegmenten mit Anlagefläche im kalten Zustand,

Figur 9 eine Nut-Feder-ähnliche Verbindung von Hitze

schildsegmenten mit Anlagefläche und geschlossenem Spalt im heißen Zustand und

Figur 10 eine wellenförmige Geometrie zwischen verschiedenen

Segmentreihen als Verdrehsicherung.

Figur 1 zeigt schematisch und beispielhaft eine Verbundlösung aus drei Elementen für eine Brennkammer 1 mit Mantel 3, einem im Mantel 3 angeordneten Keramikrohr 4 aus feuerfestem Werk stoff und einer hochtemperaturfesten Zwischenschicht 5, die zwischen Mantel 3 und Keramikrohr 4 angeordnet ist.

Die sorgfältige Integration des Keramikrohrs 4 in die Metall umgebung ist besonders wichtig. Figur 2 veranschaulicht hier zu das erfindungsgemäße axiale Verspannen 18 des Keramikrohrs 4 im Mantel 3. Durch das axiale Verspannen 18 des Keramik rohrs in Richtung der Hauptachse 2 einer konischen metalli schen Gegenfläche, d.h. des Mantels, werden Radialkräfte 19 erzeugt, die über federnde Elemente, d.h. die Zwischenschicht 5, auf die keramische Außenfläche übertragen werden. Auf die se Weise wird ein unter Außendruck stehender Keramikverbund erzeugt .

Bei der erfindungsgemäßen Ausführung mit einzelnen Hitze schildsegmenten 10 werden diese form- und kraftschlüssig in Position gehalten (Torbogenprinzip) und bilden so einen druckvorgespannten Ring aus keramischen Hitzeschildsegmenten 10, wie er in der Figur 3 als Segmentreihe 14 gezeigt ist.

Die Figuren 4 und 5 zeigen beispielhaft, wie das axiale Ver spannen 18 durch einen kraft- und / oder formschlüssig gefüg ten Metallring als Befestigungsmittel 7 im Bereich der größe ren Öffnung 6 des Konus erfolgen kann. Der Kraftschluss er folgt vom Metallring über die Keramiksäule und Federn auf die metallische konische Gegenfläche des Mantels 3.

Mit dem Ziel, die Fügekräfte zu begrenzen und variable Geo metrien auszukleiden, kann die metallische Komponente in zwei konische Bauteile getrennt werden (beispielsweise mit einer in die Mitte verschobenen Trennebene 20, wie sie in der Figur 6 gezeigt ist) . Der jeweils andere Teilmantel 9 mit dem ent sprechenden Keramikrohr 4 wirkt hier als Gegenstück 8 für die axiale Verspannung 18.

Figur 7 zeigt eine in Längsrichtung aufgeschnittene Rohr brennkammer 1 mit Übergangsstück 21, bei der sich eine Aus kleidung, wie in Figur 6 dargestellt, anbietet.

Die Figuren 8 bis 10 zeigen Details der Geometrie zwischen einzelnen keramischen Hitzeschildsegmenten 10 in einem unter Außendruck stehenden Keramik-Metall-Verbund .

Die Figur 8 zeigt zwei benachbarte Hitzeschildsegmente 10 im Einbauzustand. Die Hitzeschildsegmente 10 weisen jeweils eine mit einem heißen Medium beaufschlagbare Heißseite 11, eine der Heißseite 11 gegenüberliegende, dem Mantel 3 zugewandte Kaltseite 12 und einen zwischen Heißseite 11 und Kaltseite 12 umlaufenden Rand 13 auf. Die Hitzeschildsegmente 10 weisen auf dem Rand 13 an die Kaltseite 12 anschließende Anlageflä chen 15, die zur Kraftübertragung in Tangential- und Axial richtung dienen, und sich zur Heißgasseite 11 hin öffnende Spalte 16 auf. Die sich zur Heißgasseite hin öffnenden Spalte 16 sind sichelförmig, ähnlich der Funktion einer Nut- und Fe derverbindung. Der Spalt 16 an sich gewährleistet eine unbe hinderte Wärmedehnung, die Form des Spalts 16 ermöglicht ei nen Formschluss und somit eine Lagedefinition in radialer Richtung .

Figur 9 zeigt dieselben beiden Hitzeschildsegmente 10, wie Figur 8. Der Unterschied besteht darin, dass sich die Hitze schildsegmente 10 der Figur 8 in kaltem, die er Figur 9 in heißem Zustand befinden und der Spalt 16 aufgrund der Wärme dehnung 22 geschlossen ist.

Um zwischen den Segmentreihen 14 aus in Umfangsrichtung ange ordneten Hitzeschildsegmenten 10 eine Verdrehung in Umfangs richtung zu verhindern, sind die Stirnflächen 17 der Hitze schildsegmente 10 nicht eben sondern derart auszuführen, dass ein Formschluss zwischen den einzelnen keramischen Hitze schildsegmenten 10 in Umfangsrichtung entsteht. Dazu ist die Schnittstellengeometrie vorzugsweise in einer wellenförmigen Geometrie, wie in Figur 10 dargestellt, oder jeder anderen formschlussgewährleistenden Geometrie auszuführen. Figur 10 zeigt einen Schnitt durch eine Brennkammer 1 mit zwei Seg mentreihen 14. Die Strömungsrichtung 23 der Heißgase im Be trieb ist ebenfalls angedeutet.

Die Seiten- und Stirnflächengeometrie ist selbstverständlich dehnungsangepasst auszuführen, damit eine Minimierung der Spalte 16 und auch zwischen den Segmentreihen 14 während des Betriebs realisiert wird, um das Eindringen von Heißgas wei testgehend zu vermeiden. Dabei sind vorzugsweise stumpfe Winkel und große Radien zu verwenden, um zugspannungsbean spruchte Zonen zu vermeiden.