Hitzeschildkachel für einen Hitzeschild einer Brennkammer Die Erfindung bezieht sich auf eine Hitzeschildkachel und auf einen Hitzeschild mit mindestens einer derartigen Hitzeschildkachel. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine mit einem derartigen Hitzeschild ausgekleidete Brennkammer und eine Gasturbine sowie auf ein Verfahren zur Herstellung der Hitzeschildkachel.

In vielen technischen Anwendungen werden Hitzeschilde verwendet, welche Heißgasen von 1000 bis 1600 Grad Celsius widerstehen müssen. Insbesondere Gasturbinen, wie sie in stromer- zeugenden Kraftwerken und in Flugzeugtriebwerken Verwendung finden, weisen entsprechend große, durch Hitzeschilde abzuschirmende Flächen im Innern der Brennkammern auf. Wegen der thermischen Ausdehnung und wegen großer Abmessungen der

Brennkammern muss das Hitzeschild aus einer Vielzahl einzel- ner, im Allgemeinen keramischer Hitzeschildkacheln (Hitzeschildsteine) zusammengesetzt werden, die voneinander mit einem ausreichenden Spalt beabstandet an einer Tragstruktur befestigt sind. Dieser Spalt bietet den Hitzeschildkacheln, die auch mit Hitzeschildelementen bezeichnet werden können, aus- reichenden Raum für die thermische Ausdehnung. Da jedoch der Spalt auch einen direkten Kontakt der heißen Verbrennungsgase mit der metallischen Tragstruktur und den Halteelementen ermöglicht, kann als eine Gegenmaßnahme durch die Spalte in Richtung der Brennkammer Kühlluft eingedüst werden.

Die EP 1 557 611 AI offenbart eine Gasturbinenbrennkammer, welche im Inneren mit einem Hitzeschild ausgekleidet ist. Der Hitzeschild umfasst eine Tragstruktur und eine Anzahl von Hitzeschildkacheln, welche aus einem keramischen Material be- stehen und an der Tragstruktur mittels Halteelementen lösbar befestigt sind. Zum Schutz der Brennkammerwand sind die Hitzeschildkacheln flächendeckend unter Belassung von Dehnungsspalten an der Tragstruktur angeordnet, wobei jede Hitze- schildkachel eine der Tragstruktur zugewandte Kaltseite und eine der Kaltseite gegenüberliegende, mit einem heißen Medium beaufschlagbare Heißseite aufweist. Die Kaltseite und die Heißseite sind durch Seitenflächen der Hitzeschildkachel ver- bunden. In jeweils zwei gegenüberliegende Seitenflächen greifen die, die Hitzeschildkachel haltenden Halteelemente ein, so dass die Halteelemente den in die Dehnungsspalten eindringenden Heißgasen ausgesetzt sind. Zur Vermeidung einer Verzunderung der Halteelemente und der Tragstruktur wird deshalb aus Richtung der Tragstruktur Kühlluft in die Dehnungsspalten eingeleitet. Je mehr Kühlluft hierfür verwendet wird, desto ungünstiger sind allerdings die Abgaswerte der Gasturbine und die Gesamteffizienz der Leistungserzeugung sinkt. Aus diesem Grund wird zur Reduzierung der benötigten Kühlluftmenge in der EP 1 557 611 AI vorgeschlagen, Dichtelemente in den Dehnungsspalten anzuordnen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine eingangs genannte Hitzeschildkachel, ein Hitzeschild mit mindestens ei- ner derartigen Hitzeschildkachel sowie eine mit dem Hitzeschild ausgekleidete Brennkammer und eine Gasturbine anzugeben, mit welchem sich die Menge an Kühlluft, welche zur Spülung der Dehnungsspalten zwischen den Hitzeschildkacheln benötigt wird, auf besonders effektive Art und Weise reduzieren lässt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Hitzeschildkachel der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Hitzeschildkachel einen Grundkörper und eine Anzahl von Segmenten umfasst, wobei die Segmente unter Belassung von Dehnungsspalten flächendeckend aneinander angrenzend an dem Grundkörper angeordnet und mit diesem zusammengefügt sind, so dass mindestens die Heißseite der Hitzeschildkachel im Wesentlichen von den Segmenten ausgebildet ist.

Die erfindungsgemäß aufgebaute Hitzeschildkachel ermöglicht es, die Abmessungen der Hitzeschildkachel entlang der Kanten von Heiß- und Kaltseite gegenüber herkömmlichen Hitzeschild- kacheln zu vergrößern. Dies führt bei einem Hitzeschild mit mindestens einer derartigen Hitzeschildkachel in deren Bereich zu einer Reduzierung der Dehnungsspalten pro Flächeneinheit und damit zu einer Reduzierung der insgesamt benötig- ten Kühlluftmenge .

Erfindungsgemäß weist die Hitzeschildkachel einen Hybridaufbau aus, der mindestens einen Grundkörper und die an ihm angeordneten und mit ihm zusammengefügten Segmente umfasst. Die Segmentierung der heißesten Teile der Hybridstruktur ermöglicht eine Reduktion von thermisch induzierten Spannungen. Die Segmente und der Grundkörper können senkrecht zur Tragstruktur beispielsweise vergleichbare Abmessungen aufweisen. Der Grundkörper ist den durch die Heißgase hervorgerufenen thermisch induzierten Spannungen weniger ausgesetzt als beispielsweise die Segmente, so dass er in seiner Grundfläche entsprechend größer ausgelegt werden kann. Da der Grundkörper und die Segmente zusammengefügt sind, können die Segmente ohne Begrenzung ihrer Abmessungen in senkrechter Richtung zur Tragstruktur eine für die gewünschte Wärmedämmung notwendige

Dicke aufweisen, wobei lediglich eine an das Gewicht des Segments angepasste Fügetechnologie zur Verbindung von Segment und Grundkörper zu wählen ist. Beispielsweise eignet sich aufgrund der durch die Segmentierung kleinen Grundflächen der Segmente insbesondere die Verwendung einer adhäsiven Fügetechnologie. Für einen derartigen adhäsiven Stoffschluss kommen beispielsweise Kleber und Kitte in Frage, welche nach dem Aushärten im Wesentlichen aus nichtorganischen Bestandteilen bestehen .

Das Zusammenfügen der Hitzeschildkachel aus unterschiedlichen Strukturen ermöglicht auch eine getrennte Herstellung des Grundkörpers und der Segmente .

Dies hat den weiteren Vorteil, dass eine Optimierung von Material und Herstellungsverfahren an die Funktion der zusam- menzufügenden Strukturen erfolgen kann. So kann der Grundkörper beispielsweise aus einem stabileren, wenn auch weniger hochtemperaturfesten Material gefertigt sein als die Segmente. Dies ermöglicht eine weitere Erhöhung der Abmessungen der Hitzeschildkachel entlang der Kanten von Kalt- und Heißseite. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass aufgrund der größeren Abmessungen der Hitzeschildkachel insgesamt weniger Halteelemente pro Flächeneinheit benötigt werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die Segmente auf Klebebereiche des Grundkörpers aufgeklebt sind. Die Klebeschicht ist geringeren Temperaturen ausgesetzt als die Heißseite der Hitzeschildkachel. Bei dem Kleber kann es sich beispielsweise um den Kleber Cerambond 503 der Firma Aremco handeln. Weitere Ausführungsbeispiele für den Kleber können Kleber-Systeme mit phospatischer oder silikatischer Binderphase sein.

Das Kleben großer Flächen ist technologisch sehr anspruchsvoll. Insbesondere die Gewährleistung der Passgenauigkeit der komplementären Flächen, was Voraussetzung für eine gleichmäßige Dicke der Klebeschicht ist, erfordert einen hohen Auf- wand. Da der erfindungsgemäße Aufbau der Hitzeschildkachel eine Segmentierung und damit eine Verkleinerung der zu klebenden Flächen gegenüber eines schichtförmigen Aufbaus vorsieht, kann die gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung angegebene Fügetechnologie besonders effizient einge- setzt werden.

Es kann auch als vorteilhaft betrachtet werden, dass die mechanische Stabilität der Hitzeschildkachel im Wesentlichen durch den Grundkörper gewährleistet ist.

Dadurch entfallen unnötige Materialanforderungen an die Segmente, wodurch Materialkosten eingespart werden können.

In vorteilhafter Weise kann weiter vorgesehen sein, dass an dem Grundkörper das mindestens eine Halteelement anorden- bar ist. Die Befestigung des Haltelementes erfolgt somit sinnvollerweise an dem mechanisch höher belastbaren Grundkörper.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin- dung kann der Grundkörper aus einem metallischen Werkstoff und/oder einer monolithischen Keramik und/oder einer Faserverbundkeramik und/oder einer hochtemperaturbeständigen Feuerfestkeramik ausgebildet sein. Bei dem Metall kann es sich beispielsweise um IN718 (Handelsname der Firma Special Metals Corporation) , MAR-M-247 oder MAR-M-509 (Handelsnamen der Firma Martin Marietta) handeln. Bei der monolithischen Keramik kann es sich beispielsweise um Si ₃ N ₄ , Zr0 ₂ , Mullit oder Sic handeln.

Die Fasern der Faserverbundkeramik können beispielsweise aus Nextel 610, Nextel 720 (Handelsname der Firma 3M) , A1203, Mullit oder Sic bestehen.

Die hochfeste Feuerfestkeramik kann auf Basis von A1 ₂ 0 ₃ , Mullit, Korund, Sic oder Zircon ausgebildet sein.

Weiter kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass eine Hochtemperaturbeständigkeit und/oder eine Wärmedämmeigenschaft

und/oder eine Korrosionsbeständigkeit der Hitzeschildkachel im Wesentlichen durch die Segmente gewährleistet ist.

Dadurch entfallen unnötige Materialanforderungen an den

Grundkörper, wodurch Materialkosten eingespart werden können.

Zur Ausbildung der drei genannten Eigenschaften der Segmente können diese selbst einen schichtförmigen Aufbau aufweisen. Dadurch können weitere Materialkosten eingespart werden.

Beispielsweise können die Segmente aus einer hochtemperaturbeständigen Keramik oder einem hochtemperaturbeständigen Keramiksystem ausgebildet sein. Beispielsweise kann es sich bei der Keramik um Zirkonoxid mit einem oder mehreren Stabilisatoren handeln. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Ausgestaltung der Erfindung kann es sich bei dem Material der Segmente auch um FGI -Material (Firma Siemens) handeln.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die Verbindungsflächen zwischen den Segmenten und dem Grundkörper strukturiert oder aufgeraut sind.

Dies erhöht die Sicherheit der Verbindung, insbesondere einer KlebeVerbindung, zwischen den Segmenten und dem Grundkörper.

Vorteilhafter Weise können die Verbindungsflächen Rillen und/oder Noppen aufweisen.

Diese Strukturen lassen sich besonders einfach herstellen und ermöglichen eine vorteilhafte Vergrößerung der Klebeflächen.

Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass die Segmente ausschließlich oder zusätzlich zu einer Stoffschlüssi - gen Verbindung kraft- und/oder formschlüssig an dem Grundkör- per angeordnet sind.

Für Anwendungen, bei denen eine sehr hohe Zuverlässigkeit der Hybrid-Hitzeschildkachel gefordert wird und der Verlust eines Segmentes nicht tolerabel ist, ermöglicht diese Ausgestaltung der Erfindung eine besonders sichere Verbindung zwischen Segment und Grundkörper. Die kraftschlüssige Verbindung kann beispielsweise durch ineinandergreifende Strukturen der Verbindungsflächen realisiert werden. Beispielsweise können die Klebeflächen ineinandergreifende Strukturen entsprechend ei- ner Schwalbenschwanz -Verbindung aufweisen, wobei die Befestigung eines Segmentes an einer derartigen Klebefläche mittels einer Montagebewegung parallel zur Heißseite erfolgen kann.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann zur weite- ren Sicherung der Verbindung zwischen Segment und Grundkörper mindestens ein Verstärkungselement vorsehen, welches ein Segment und den Grundkörper oder ein Segment mit einem benachbarten Segment verbindet . Das Verstärkungselement kann beispielsweise aus monolithischer Keramik bestehen. Beispielsweise aus Si ₃ N ₄ , A1 ₂ 0 ₃ , SiC oder Zr0 ₂ . Zur Befestigung des Verstärkungselementes am Seg- ment und am Grundkörper kann dieses beispielsweise bei der Herstellung der einen Komponente im Falle eines keramischen Materials beim Gießprozess der Komponente einfach mit eingegossen werden. Zur Befestigung der Komponente an der jeweils anderen kann das Verstärkungselement beispielsweise in die andere Komponente eingeschraubt und/oder eingeklebt werden. Das Verstärkungselement sichert in dieser Weise die Verbindung der beiden Komponenten zusätzlich zu einer beispielsweise vorgesehenen KlebeVerbindung redundant ab. Eine besonders sichere und einfach zu handhabende Befestigung des Verstärkungselements am Grundkörper kann vorsehen, dass der Grundkörper zur Aufnahme des Verstärkungselements eine Ausnehmung aufweist, welche sich bis zur Kaltseite erstreckt. Das an einem Segment angeordnete Verstärkungselement kann hierbei derart ausgebildet sein, dass es sich entlang der

Ausnehmung in dem Grundkörper im Wesentlichen bis zur Kaltseite der Hitzeschildkachel erstreckt und mit dem Grundkörper verbunden wird. Vorteilhafter Weise kann mindestens ein Sicherungselement vorgesehen sein, welches im Bereich der Kaltseite der Hitzeschildkachel angeordnet und mit mindestens einem, sich im Wesentlichen bis zur Kaltseite erstreckenden Verstärkungselement verbunden ist. Das Verstärkungselement erstreckt sich entlang einer Ausnehmung in dem Grundkörper.

Zur Sicherung des Verstärkungselements in der Ausnehmung kann beispielsweise ein von der Kaltseite aus um einen Endbereich des Verstärkungselements herum angeordneter Sicherungsring dienen. Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sicherungselements kann ein Streifen aus beispielsweise Metall sein, in dessen einer Längsseite entsprechend der Abstände zwischen den auf der Kaltseite aus den Ausnehmungen ragenden Verstär- kungseiemente Kerben eingebracht sind, welche die Enden einer Reihe von Verstärkungselementen umfassen. Auf diese Weise lässt sich eine ganze Gruppe von Verstärkungselementen mittels eines derartigen Sicherungsbügels am Grundkörper befes- tigen. Das Sicherungselement kann beispielsweise aus Xll,

IN718 (Handelsname der Firma Special Metals Corporation) oder MAR-M-509 (Handelsnamen der Firma Martin Marietta) bestehen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein eingangs ge- nanntes Hitzeschild anzugeben, mit welchem sich die Menge an Kühlluft, welche zur Spülung der Dehnungsspalten zwischen den Hitzeschildkacheln benötigt wird, auf besonders effektive Art und Weise reduzieren lässt. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Hitzeschild der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass mindestens eine Hitzeschildkachel nach einem der Ansprüche 1 bis 16 ausgebildet ist. Der erfindungsgemäße Hitzeschild kann einen oder mehrere derartig ausgebildete Hitzeschildkacheln umfassen. Es können beispielsweise auch alle Hitzeschildkacheln des Hitzeschildes gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 ausgebildet sein. Für eine weitere Erhöhung der Kühllufteinsparung können in die Deh- nungsspalten zwischen den Hitzeschildkacheln Dichtungsmate- rialen wie Gewebe, Schäume oder Wicklungen angeordnet werden.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine mit einem eingangs genannten Hitzeschild ausgekleidete Brennkammer und eine Gasturbine mit einer solchen Brennkammer anzugeben, mit welcher sich die Menge an Kühlluft, welche zur Spülung der Dehnungsspalten zwischen den Hitzeschildkacheln benötigt wird, auf besonders effektive Art und Weise reduzieren lässt. Die Aufgabe wird bei einer Brennkammer und einer Gasturbine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Hitzeschild gemäß Anspruch 17 ausgebildet ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Hitzeschildkachel der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem sich die Menge an Kühlluft, welche zur Spülung der Dehnungsspalten zwischen den Hitzeschildka- cheln benötigt wird, auf besonders effektive Art und Weise reduzieren lässt.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der genannten Art dadurch gelöst, dass zum Aufbau der Hitzeschildkachel

-ein Grundkörper und eine Anzahl von Segmenten hergestellt werden, und

-die Segmente flächendeckend unter Belassung von Dehnungs- spalten aneinander angrenzend an dem Grundkörper angeordnet und mit diesem zusammengefügt werden,

-wobei die Segmente mindestens im Bereich der Heißseite der Hitzeschildkachel am Grundkörper angeordnet werden, so dass die Heißseite der Hitzeschildkachel im Wesentlichen durch Oberflächenbereiche der Segmente ausgebildet wird. Zu den Vorteilen der durch das Verfahren hergestellten Hitzeschildkachel siehe die obigen Ausführungen zu den Ansprüchen 1 bis 16.

Die Segmente und der Grundkörper können teilweise gemeinsame Herstellungsschritte aufweisen. Insbesondere, wenn sie aus dem gleichen Material gefertigt werden. Beispielsweise können die Segmente aus einem gemeinsamen Materialstück herausgesägt werden. Auch entspricht die im Anspruch angegebene Reihenfolge der Verfahrensschritte Herstellung der Segmen- te/Grundkörper und Anordnung der Segmente am Grundkörper nicht zwingend einer zeitlichen Abfolge der beiden Verfahrensschritte. Die Segmente können beispielsweise auf den Grundkörper mittels Lasersinterverfahren aufwachsen. Das Zusammenfügen von Segmenten und Grundkörper setzt im Rahmen dieser Erfindung nicht zwingend die vorher getrennte Existenz der Komponenten voraus. Wesentlich ist hierbei nur, dass sich mit der Kombination der verwendeten Komponenten und der gewählten Fügetechnik eine Funktionstrennung der Komponenten erreichen lässt, so dass die mechanische Stabilität der Hitzeschildkachel im Wesentlichen durch den Grundkörper gewährleistet ist und die Wärmedämmeigenschaft der Hitzeschildkachel im Wesentlichen durch die Segmente gewährleistet ist. Vorteilhafterweise unter Ausnutzung der Vorzüge von spezialisierten Werkstoffen.

Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die Segmente am Grundkörper mittels einer Stoffschlüssigen Verbindung, insbe- sondere mittels einer adhäsiven Verbindung, befestigt werden. Mit einer Strukturierung der Verbindungsflächen zwischen den Segmenten und dem Grundkörper lassen sich die Verbindungseigenschaften weiter verbessern. Die Strukturierung kann bei der Herstellung des Grundkörpers und der Segmente erfolgen oder nachträglich in diese eingebracht werden.

Es kann auch als vorteilhaft betrachtet werden, dass mindestens ein Verstärkungselement an einem Segment oder dem Grundkörper angeordnet wird. Bei der Befestigung des Segments am Grundkörper wird das Verstärkungselement am jeweils gegenüberliegenden Bauteil befestigt.

Das Verstärkungselement verstärkt die Verbindung zwischen Segment und Grundkörper oder dient der Absicherung der Befes- tigung, indem es zwischen Segment und benachbartem Segment verläuft. Das Verstärkungselement wirkt einem Ablösen und einem Verlust des Segments bei einem Versagen der primären Verbindungstechnik wirksam entgegen. Hierzu kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das Verstärkungselement am Grundkörper mit einem Sicherungselement gesichert wird.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfin- dung sind Gegenstand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figur der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen . Dabei zeigt die

FIG 1 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Hitzeschildkachel mit einer Mehrzahl von Segmenten;

FIG 2 eine Schnittdarstellung durch eine Hitzeschildkachel gemäß FIG 1 ;

FIG 3 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Hitzeschildkachel mit alternativer Ausbildung der Segmente; FIG 4 eine Draufsicht auf ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Hitzschildkachel mit einer weiteren alternativen Segmentierung der Segmente;

FIG 5 eine Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Segment gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel mit einem zusätzlichen mechanischen Verstärkungselement zum Verankern des Segmentes am Grundkörper;

FIG 6 eine Schnittdarstellung durch einen korrespondieren erfindungsgemäßen Grundkörper mit einer komplementären Auf- nahmeöffnung für das mechanische Verstärkungselement gemäß FIG 5;

FIG 7 das Segment gemäß FIG 5 und der Grundkörper gemäß FIG 6 im verbundenen Zustand;

FIG 8 eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hitzeschildkachel mit einem zusätzlichen mechanischen Verstärkungselement zwischen Segment und Grundkörper und zu- sätzlicher Strukturierung der Verbindungsfläche im Verkle- bungsbereich; FIG 9 eine Schnittdarstellung durch eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hitzeschildkachel mit alternativ geformten zusätzlichen mechanischen Verstärkungselementen zwischen den Segmenten und dem Grundkörper;

FIG 10 eine Schnittdarstellung durch eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hitzeschildkachel, welches im Unterschied zu dem in Figur 8 dargestellten Ausführungsbeispiel eine zusätzliche Verklebung der mechanischen Verstärkungselemente im Grundkörper vorsieht;

FIG 11 eine Schnittdarstellung durch eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hitzeschildkachel mit alternativ geformten zusätzlichen mechanischen Verstärkungs- elementen zwischen den Segmenten und dem Grundkörper, welche durch Verklebung in der Tragstruktur gehalten ist;

FIG 12 eine Schnittdarstellung durch eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hitzeschildkachel mit einem zusätzlichen mechanischen Verstärkungselement zwischen benachbarten Segmenten;

FIG 13 eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hitzeschildkachel mit zusätzli- chen mechanischen Verstärkungselementen zwischen benachbarten Segmenten sowie zwischen Segmenten und Grundkörper;

FIG 14 eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hitzeschildkachel mit zusätzli- chen mechanischen Verstärkungselementen zwischen benachbarten Segmenten sowie zwischen Segmenten und Grundkörper, sowie mit einer alternativen Segmentierung;

FIG 15 eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungs- form einer erfindungsgemäßen Hitzeschildkachel mit zusätzlichen mechanischen Verstärkungselementen zwischen benachbarten Segmenten sowie zwischen Segmenten und Grundkörper, sowie mit einer alternativen Segmentierung; FIG 16 eine Schnittdarstellung durch eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hitzeschildkachel mit zusätzlichen mechanischen Verstärkungselementen zwischen den Segmenten und dem Grundkörper, sowie mit zusätzlichen metallischen Sicherungselement;

FIG 17 eine Draufsicht auf die Kaltseite der Hitzeschildkachel gemäß FIG 16;

FIG 18 eine Draufsicht auf die Kaltseite einer alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hitzeschildkachel mit einer gegenüber der Figur 17 alternativen Segmentierung, und

Fig.19 eine schematische Darstellung einer Gasturbine nach dem Stand der Technik in einem Längsschnitt.

Die Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf die Heißseite einer er- findungsgemäßen Hitzeschildkachel 10 gemäß einem Ausführungsbeispiels. Die Hitzeschildkachel 10 umfasst einen Grundkörper (in der Draufsicht unterhalb der Segmente 12 angeordnet und deshalb nicht sichtbar - entspricht Position 14 in Figur 2) und eine Anzahl von Segmenten 12, die unter Belassung von Dehnungsspalten 16 flächendeckend aneinander angrenzend an dem Grundkörper angeordnet und mit diesem zusammengefügt sind, so dass mindestens die Heißseite der Hitzeschildkachel 10 im Wesentlichen von den Segmenten 12 ausgebildet ist. Mit anderen Worten bilden die heißseitigen Oberflächenbereiche der Segmente 12 im Wesentlichen die Heißseite der Hitzeschildkachel 10 aus.

Die Segmente 12 müssen nicht wie dargestellt eine rechteckige Umfangskontur aufweisen. Wesentlich ist nur das unter Belas- sung von Dehnungsspalten 16 flächendeckend aneinander Angrenzen der Segmente 12, um eine Überdeckung des Grundkörpers zur Heißseite hin zu ermöglichen. Die Größe der Segmente ist einerseits an eine gewünschte, maximale Thermospannung inner- halb eines Segmentes 12 anpassbar und andererseits an die Art der Verbindung zwischen dem Segment 12 und dem Grundkörper. So ist beispielsweise bei einer Klebe erbindung vorteilhafter Weise die Grundfläche der Segmente 12 nicht zu groß zu wäh- len, damit eine gleichförmige Dicke der Klebeschicht gewährleistet werden kann. Aufgrund der Segmentierung unterliegt jedes Segment 12 im Betrieb nur relativ geringen thermischen Gradienten in seiner Ausdehnungsrichtung, so dass die Gesamtausdehnung und damit die entstehenden thermischen Spannungen innerhalb des einzelnen Segments 12 gering gehalten werden können .

Die Segmente 12 dienen der Wärmedämmung und Abschirmung des Grundkörpers vor Heißgasen. Deshalb sind die Segmente 12 vor- teilhafter Weise gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus hochtemperaturbeständigen und thermoschockresistenten Keramiken oder Keramiksysteme, die eine besonders geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Sie schützen die hinter ihnen gelegenen Bereiche, insbesondere den Grundkörper. Der Grundkör- per ist mittels der angefügten Segmente 12 wesentlich geringeren thermischen Spannungen ausgesetzt und kann aus diesem Grunde gegenüber herkömmlichen Hitzeschildkacheln größere Abmessungen entlang der dargestellten Außenkanten der Hitzeschildkachel 10 aufweisen. Der Grundkörper dient der mechani- sehen Integrität und Stabilität der Hitzschildkachel 10.

Auch kann der Grundkörper aufgrund der thermischen Schutz - funktion der Segmente 12 aus Materialien ausgebildet werden, welche auf ihre mechanische Haltbarkeit hin optimiert sind. Hierfür bieten sich beispielsweise Metalle, monolithische Keramiken, Faserverbundkeramiken oder hochtemperaturbeständige Feuerfestkeramiken an.

Die Segmente 12 sind entsprechend dem dargestellten Ausfüh- rungsbeispiel auf Klebebereiche des Grundkörpers aufgeklebt. Die Haftung der Segmente 12 an dem Grundkörper lässt sich erhöhen, wenn in die jeweiligen Verbindungsflächen der Segmente und des Grundkörpers entsprechende Strukturelemente in Form von Aufrauungen, Rillen, Noppen oder dergleichen eingebracht werden. Dies kann beim Herstellen der entsprechenden Bauteile oder auch nachträglich beispielsweise durch mechanische oder Laserbearbeitung erfolgen. In der Figur 1 ist der Verlauf derartiger Strukturelemente durch gestrichelte Linien eingezeichnet .

Die Figur 2 zeigt die Hitzeschildkachel 10 der Figur 1 in einer schematischen Schnittdarstellung entlang der in Figur 1 mit II gekennzeichneten Ebene.

Die Hitzeschildkachel 10 ist mittels Halteelementen lösbar an einer Tragstruktur (nicht dargestellt) eines Hitzeschildes anordenbar , mit einer der Tragstruktur zugewandten Kaltseite 1 und einer gegenüberliegend angeordneten, mit Heißgasen beaufschlagbaren Heißseite 2 und die Kaltseite 1 mit der Heißseite 2 verbindenden Seitenflächen 3. Die Hitzeschildkachel 10 weist einen hybriden Aufbau auf mit einem kaltseitig angeordneten Grundkörper 14 und den bereits in Figur 1 darge- stellten heißseitig angeordneten Segmenten 12, wobei die Dicke des Grundkörpers 14 und der Segmente 12 senkrecht zur Kaltseite gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen gleich ist. Die Segmente 12 sind an den Grundkörper 14 angefügt. Die Verbindung zwischen den Segmenten 12 und dem Grundkörper 14 wird durch eine Klebeschicht 18 sichergestellt. Aufgrund der relativ geringen Flächenausdehnung der einzelnen Segmente 12 kann dabei auch unter den extremen Arbeitsbedingungen einer solchen Hitzschildkachel 10 eine zuverlässige Verklebung erzielt werden. Die Haftung zwischen den Segmenten 12 und dem Grundkörper 14 kann noch verbessert werden, wenn in die jeweiligen Verbindungsflächen 20 der Segmente 12 und der Klebeflächen 22 des Grundkörpers 14 entsprechende Strukturelemente 24 in Form von Aufrauungen, Rillen, Noppen oder dergleichen eingebracht werden. Die Klebeflächen 22 des Grundkörpers können ebenfalls mit Verbindungsflächen bezeichnet werden. Obgleich die Klebeschicht 18 durch die Segmente 12 von den die Heißseite 2 beaufschlagenden Reaktionsgasen abgeschirmt wird, wird vorzugsweise ein Klebstoff verwendet, welcher im ausgehärteten Zustand im Wesentlichen aus anorganischen Kom- ponenten besteht, so dass die Haltbarkeit der Verbindung auch unter Betriebsbelastung langfristig erhalten bleibt.

Die Figur 3 und die Figur 4 zeigen alternative Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Hitzeschildkachel 10. Die Ausführungsbeispiele weichen in Bezug auf die Form der Segmente 12 von dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ab. Die gestrichelten Linien in Figur 3 entsprechen einem alternativen Verlauf von Strukturelementen (Position 24 in der Figur 2), die in die Verbindungsflächen der Segmente 12 und des Grundkörpers 14 eingebracht sind.

Die Figur 5 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform eines Segments 12, in welches ein Verstärkungselement 26 eingebettet ist.

Wenn besonders hohe Anforderungen an die Haltbarkeit der Verbindung zwischen dem Segment 12 und dem Grundkörper 14 gestellt werden und ein Verlust einzelner Segmente 12 bei lokalem Versagen der Klebeschicht 18 nicht toleriert werden kann, so kann, wie in den FIG 5 bis 18 gezeigt, eine zusätzliche Sicherung der Segmente 12 durch mechanische Verstärkungselemente 26 geschaffen werden.

Das in FIG 5 gezeigte Verstärkungselement 26 ist mit einem Kopfbereich 28 in einer korrespondierenden Aufnahme 30 des Segments 12 gehalten und ragt mit einem Schaft 32 teilweise aus der Verbindungsfläche 20 des Segments 12 heraus. Den Endbereich des Schafts 32 umläuft eine Ringnut 36.

Die Figur 6 zeigt einen Ausschnitt des Grundkörpers 14 gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiels. Durch den Grundkörper verläuft eine Ausnehmung 34, welche sich durch den Grundkörper 14 hindurch von einer Klebefläche 22 bis zu der Kaltseite 1 erstreckt. Die Ausnehmung 34 ist komplementär zu dem Schaft 32 des in Figur 5 dargestellten Verstärkungselements 26 ausgebildet.

Figur 7 zeigt das in Figur 5 dargestellte Segment 12 befes- tigt an dem in Figur 6 dargestellten Grundkörper 14. Zur Befestigung des Segments 12 ist zwischen der Verbindungsfläche 20 und der Klebefläche 22 eine Klebeschicht 18 angeordnet. Der Schaft 32 des Verstärkungselements 26 ist in der Ausnehmung 34 angeordnet und erstreckt sich im Wesentlichen bis zur Kaltseite 1. Der Schaft 32 des Verstärkungselements 26 ist durch einen in die Ringnut 36 eingesetzten metallischen Sicherungsring 38 in der Ausnehmung 34 lösbar befestigt.

Der Sicherungsring 38 verklemmt im zusammengebauten Zustand der Hitzeschildkachel 10 den Schaft 32 des Verstärkungselements 26 mit dem Grundkörper 14 und sorgt zusätzlich zur Klebeschicht 18 für eine zusätzliche mechanische Verbindung von Segment 12 und Grundkörper 14. Auch hier kann die Haftung der Klebeschicht 18 durch Strukturelemente 24 verbessert werden, wie in FIG 8 dargestellt.

Neben diesem, in FIG 5 bis 8 gezeigten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hitzeschildkachel 10 sind auch andere Geometrien für das Verstärkungselement 26 denkbar. Zwei davon sind in den FIG 9 und 11 dargestellt. Die Verstärkungselemente 26 gemäß FIG 9 weisen dabei zwei Kopfbereiche 28 auf und verbinden die Segmente 12 und den Grundkörper 14 durch Form- schluss . Die Ausführungsform des Verstärkungselements 26 gem. FIG 10 entspricht geometrisch derjenigen der FIG 5 bis 8, wobei der Schaft 32 des Verstärkungselements 26 durch eine zusätzliche Klebeschicht 18 entlang der Ausnehmung 34 im Grundkörper 34 gesichert ist. Auch in der Ausführungsform nach FIG 11 ist eine solche zusätzliche Klebeschicht 18 in der Ausnehmung 34 vorgesehen, wobei auf den metallischen Sicherungsring 38 verzichtet wird und die Ausnehmungen 34 im Grundkörper 14 als Sacklöcher ausgebildet sind. Wie FIG 12 zeigt, können auch die Segmente 12 mittels weiterer Verstärkungselemente 40 gegeneinander gesichert werden. Ebenso wie die Verstärkungselemente 26 können diese durch Formschluss oder Verklebung in den Segmenten 12 angeordnet werden .

Selbstverständlich sind die Verstärkungselemente 26 und 40 auch gleichzeitig einsetzbar. FIG 13 bis 15 zeigen alternati- ve Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Hitzeschildkachel 10 in einer Draufsicht auf die Heißseite. Die Ausführungsbeispiele zeigen unterschiedliche Formen der Segmente 12 und unterschiedliche Anordnungen der Verstärkungselemente 26 und 40. Da die Verstärkungselemente 26 und 40 im Inneren der Hit- zeschildkacheln 10 angeordnet sind, ist deren Lage in den FIG 13 bis 15 mit gestrichelten Linien verdeutlicht.

Wie in den FIG 16 bis 18 gezeigt, kann sich der Schaft 34 der Verstärkungselemente 26 über die Kaltseite des Grundkörpers 14 hinaus erstrecken und genutzt werden, um auf dieser Seite des Grundkörpers 14 zusätzliche Sicherungselemente 44 zu verankern. Diese können beispielsweise aus Metall ausgebildet sein und verleihen der Hitzeschildkachel 10 eine zusätzliche mechanische Stabilität.

Die Figur 19 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Gasturbine 101 nach dem Stand der Technik. Die Gasturbine 101 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 104 auf, der auch als Turbi- nenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 106, ein Verdichter 108, ein Verbrennungssystem 109 mit einer Anzahl an Brennkammern 110, eine Turbine 114 und ein Abgasgehäuse 115. Die Brennkammern 110 umfassen jeweils eine Brenneranordnung 111 und ein Gehäuses 112, welches zum Schutz vor Heißgasen mit einem Hitzeschild 120 ausgekleidet ist. Das Verbrennungssystem 109 korrespondiert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal. Dort bilden mehrere hintereinander geschaltete Turbinenstufen die Turbine 114. Jede Turbinenstufe ist aus Schaufelringen gebildet. In Strö- mungsrichtung eines Arbeitsmediums gesehen folgt im Heißkanal einer aus Leitschaufeln 117 gebildeten Reihe eine aus Laufschaufeln 118 gebildete Reihe. Die Leitschaufeln 117 sind dabei an einem Innengehäuse eines Stators 119 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 118 einer Reihe beispielsweise mit- tels einer Turbinenscheibe am Rotor 103 angebracht sind. An dem Rotor 103 angekoppelt ist beispielsweise ein Generator (nicht dargestellt) .

Während des Betriebes der Gasturbine 101 wird vom Verdichter 108 durch das Ansauggehäuse 106 Luft angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 108 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu dem Verbrennungssystem 109 geführt und dort im Bereich der Brenneranordnung 111 mit einem Brennstoff vermischt. Das Gemisch wird dann mit Hilfe der Brenneranordnung 111 unter Bildung eines Arbeitsgasstromes im Verbrennungssystem 109 verbrannt. Von dort strömt der Arbeitsgasstrom entlang des Heißgaskanals an den Leitschaufeln

117 und den Laufschaufeln 118 vorbei. An den Laufschaufeln

118 entspannt sich der Arbeitsgasstrom impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 118 den Rotor 103 antreiben und dieser den an ihn angekoppelten Generator (nicht dargestellt) .