DE10150259A1

DE10150259A1 - Heat insulating component used in the hot gas path of gas turbines consists of a component made from a metallic support having a front surface subjected to high temperatures and a cooled rear surface

Info

Publication number: DE10150259A1
Application number: DE10150259A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Weiler
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: GE Vernova GmbH
Priority date: 2001-10-11
Filing date: 2001-10-11
Publication date: 2003-04-17

Abstract

Heat insulating component consists of a component made from a metallic support (1) having a front surface (3) subjected to temperatures of more than 700 deg C and a cooled rear surface (4). Ceramic fibers (2) aligned vertically to the front surface are fixed on the front surface, and a network of parallel aligned gaps joined together is formed between the fibers. Preferred Features: The fibers are made from an oxide ceramic, preferably aluminum oxide, zirconium oxide, silicon oxide, magnesium oxide and/or titanium oxide. The fibers have a round, oval or polygonal cross-section. The fibers have pores with a porosity of 1-90 %.

Description

Technical field

Die Erfindung betrifft ein Wärmeisolationsbauteil, welches im Heissgaspfad von Gasturbinen eingesetzt wird. Gasturbinenbauteile im Heissgaspfad sind beispielsweise Brennkammerwände und Turbinenschaufeln. The invention relates to a heat insulation component, which in the hot gas path of Gas turbines is used. Gas turbine components are in the hot gas path for example combustion chamber walls and turbine blades.

Stand der TechnikState of the art

Es ist bekannt, die Temperaturbeständigkeit von im Heissgaspfad angeordneten Gasturbinenbauteilen einerseits durch intensive Kühlung und andererseits durch Aufbringung von Wärmdämmschichten oder den Einsatz von Hitzeschildern aus Refraktärmaterialien zu erhöhen. It is known the temperature resistance of arranged in the hot gas path Gas turbine components on the one hand through intensive cooling and on the other hand through Application of thermal insulation layers or the use of heat shields Increase refractory materials.

Wärmedämmschichten, welche üblicherweise mit Hilfe von Aufdampftechniken oder thermischem Spritzen von Pulvern hergestellt werden, sind nachteilig nur bei Dicken unter ca. 2 mm ausreichend zuverlässig. Sie können daher nur eine begrenzte Isolierfähigkeit erreichen, d. h. die Temperatur der metallischen Bauteile kann bei üblicher Kühlung praktisch kaum unter einen Wert abgesenkt werden, der niedriger ist als ca. 100°C unter der heissgasseitigen Temperatur der Wärmedämmschicht. Thermal insulation layers, which are usually using vapor deposition techniques or thermal spraying of powders are disadvantageous only at Thicknesses below approx. 2 mm are sufficiently reliable. You can therefore only use one achieve limited insulation, d. H. the temperature of the metallic components can hardly be reduced below a value with conventional cooling, which is lower than approx. 100 ° C below the hot gas temperature of the Thermal barrier coating.

Dagegen weisen Refraktärbauteile zur Erreichung einer guten Wärmedämmung eine beträchtliche Masse auf, so dass nachteilig ein nicht unbeträchtlicher Aufwand bei den Halterungssystemen erforderlich ist. In contrast, refractory components show how to achieve good thermal insulation a considerable mass, so disadvantageously a not inconsiderable Effort in the bracket systems is required.

Der Einsatz von Wärmedämmsystemen auf der Basis leichter hochisolierender Faserblockmaterialien scheitert an der geringen Erosionsbeständigkeit und der ungenügenden Beständigkeit gegen Rissbildung und Risswachstum unter Temperaturwechselbelastung oder Thermoschocks. Zwar hat man versucht, diese Nachteile durch die Anbringung von dichten erosionsbeständigen keramischen Kacheln auf der Heissgasseite der Faserblockisolation zu überwinden, aber dies hat sich als nicht erfolgreich erwiesen, weil das verwendete Kachelmaterial (Siliziumkarbid und Siliziumnitrid) unter Gasturbinenbedingungen nicht ausreichend oxidationsbeständig ist. The use of thermal insulation systems based on lightweight, highly insulating Fiber block materials fail due to the low erosion resistance and the insufficient resistance to cracking and crack growth under Thermal cycling or thermal shocks. One has tried this Disadvantages due to the use of dense erosion-resistant ceramic To overcome tiles on the hot gas side of the fiber block insulation, but this has proven unsuccessful because of the tile material used (Silicon carbide and silicon nitride) not under gas turbine conditions is sufficiently resistant to oxidation.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Erfindung versucht, diese Nachteile des bekannten Standes der Technik zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wärmeisolationsbauteil zu entwickeln, welches sich durch eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit und eine hohe Beständigkeit gegen Thermoschocks auszeichnet, auch gegen sehr hohe Temperaturgradienten stabil ist und gleichzeitig ein hohes akustisches Dämpfungsvermögen aufweist. The invention attempts to overcome these disadvantages of the known prior art avoid. It is based on the task of creating a heat insulation component develop, which is characterized by a high thermal shock resistance and is characterized by a high resistance to thermal shocks, also very high high temperature gradient is stable while maintaining a high acoustic Has damping capacity.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das Bauteil aus einem metallischen Träger mit einer Temperaturen oberhalb von ca. 700°C ausgesetzten Vorderfläche und einer gekühlten Rückfläche besteht, wobei auf der Vorderfläche parallel zueinander und mit der Faserlängsrichtung senkrecht zur Vorderfläche ausgerichtete keramische Fasern befestigt sind, zwischen denen ein Netz parallel ausgerichteter und vollständig miteinander verbundenen Spalten ausgebildet ist. According to the invention, this object is achieved in that the component is made of a metallic carrier with a temperature above approx. 700 ° C exposed front surface and a cooled rear surface, being on the Front surface parallel to each other and with the fiber longitudinal direction perpendicular to Front surface aligned ceramic fibers are attached between which a Network of parallel aligned and fully interconnected columns is trained.

Die Vorteile der Erfindung bestehen einerseits darin, dass die Bündel keramischer Fasern als eine ausgezeichnete Wärmeisolation für den metallischen Träger dienen. In der genannten Anordnung liegen die keramischen Fasern parallel zum Temperaturgradienten in dem Bauteil. Thermomechanische Spannungen aufgrund unterschiedlicher Dehnung können sich in den Fasern im wesentlichen nur senkrecht zum Temperaturgradienten, also parallel zur heissgasseitigen Vorderfläche und gekühlten Rückfläche ausbilden. Die Höhe dieser thermomechanischen Spannungen wird bei gegebener Höhe des Temperaturgradienten, bei gegebenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, E-Modul und Querkontraktionszahl nur von den geometrischen Dimensionen der Fasern, und zwar parallel zur Vorder- bzw. Rückfläche des metallischen Trägers bestimmt, also im wesentlichen durch den Durchmesser der Fasern. Bei Wahl eines genügend kleinen Faserdurchmessers, bei welchem die Spannungen ausreichend unter der Bruchfestigkeit der Fasern liegen, wird somit eine Isolation mit hoher Stabilität und Zuverlässigkeit erzielt. Durch das Netz von Spalten wird gleichzeitig verhindert, dass sich grössere Risse parallel zur Oberfläche bilden und wachsen können, welche nachteilig zu Abplatzungen führen könnten. Aufgrund der Faser- und Spaltenstruktur selbst bzw. aufgrund des Aufbaus der Fasern ist die Faserbündeloberfläche akustisch weich und wirkt somit z. B. beim Einsatz des erfindungsgemässen Wärmeisolationsbauteiles in einer Gasturbinenbrennkammer auf mögliche Pulsationen dämpfend. The advantages of the invention are, on the one hand, that the bundles are ceramic Fibers as excellent thermal insulation for the metallic support serve. In the arrangement mentioned, the ceramic fibers are parallel to Temperature gradients in the component. Thermomechanical stresses due to different elongation, the fibers can essentially become only perpendicular to the temperature gradient, i.e. parallel to the hot gas side Form the front surface and the cooled rear surface. The amount of this thermomechanical stresses is given at a given level of Temperature gradients, given given coefficients of thermal expansion, E-module and transverse contraction number only from the geometric dimensions of the Fibers, parallel to the front or back surface of the metallic carrier determined, so essentially by the diameter of the fibers. If you choose of a sufficiently small fiber diameter at which the tensions Insulation is sufficiently below the breaking strength of the fibers achieved with high stability and reliability. Through the network of columns at the same time prevents larger cracks from forming parallel to the surface and grow, which could lead to flaking. Because of the fiber and column structure itself or because of the structure of the Fibers, the surface of the bundle of fibers is acoustically soft and thus acts e.g. B. at Use of the heat insulation component according to the invention in one Damping the gas turbine combustion chamber for possible pulsations.

Es ist zweckmässig, wenn die Fasern aus Oxidkeramik, vorzugsweise Aluminiumoxid und/oder Zirkonoxid und/oder Siliziumoxid und/oder Magnesiumoxid und/oder Titanoxid bestehen. Dabei können Mischungen aus zwei oder mehreren dieser Oxide, entweder in Form verschiedener Phasen der Einzelkomponenten oder verschiedener Mischphasen oder in Form einer Mischphase verwendet werden. Mit diesem Fasermaterial ist eine besonders gute Temperaturwechselbeständigkeit und Beständigkeit gegen Thermoschocks zu erzielen. It is useful if the fibers are made of oxide ceramic, preferably Aluminum oxide and / or zirconium oxide and / or silicon oxide and / or Magnesium oxide and / or titanium oxide exist. Mixtures of two or more of these oxides, either in the form of different phases of the Individual components or different mixed phases or in the form of a Mixed phase can be used. With this fiber material is a particularly good one Resistance to temperature changes and resistance to thermal shocks achieve.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn der Querschnitt der Fasern rund, oval oder polygonal, vorzugsweise mit abgerundeten Kanten, ist. Bei der parallelen Anordnung der Fasern in einer Bündelstruktur ergeben die Zwischenräume zwischen den Fasern dann zwangsläufig ein Netz vollständig miteinander verbundener Spalten mit den bereits oben beschriebenen Vorteilen bezüglich Rissverhinderung. It is also advantageous if the cross section of the fibers is round, oval or is polygonal, preferably with rounded edges. With the parallel The arrangement of the fibers in a bundle structure results in the spaces between the fibers then necessarily a network completely with each other connected columns with the advantages already described above Crack Prevention.

Es ist zweckmässig, wenn die Fasern hohl sind und jeweils mindestens einen Kanal in Faserlängsrichtung aufweisen, welcher sich entweder über die ganze Faser erstreckt oder beliebig oft durch Feststoff unterbrochen ist und wenn die Fasern porös sind. Die Porosität liegt zwischen 1% und 90%, wobei eine möglichst hohe Porosität wünschenswert ist. Dadurch werden die Wärmeleitfähigkeit und der Elastizitätsmodul der Fasern gesenkt im Vergleich zu einem dichten porenfreien Werkstoff. Dies bewirkt wiederum eine Erhöhung des thermischen Isolationsvermögens und des akustischen Dämpfungsvermögens. It is useful if the fibers are hollow and at least one each Have channel in the longitudinal direction of the fiber, which is either over the whole Fiber stretches or is interrupted by solids as often as required and if the Fibers are porous. The porosity is between 1% and 90%, with one the highest possible porosity is desirable. This will make the Thermal conductivity and the elastic modulus of the fibers are reduced compared to a dense non-porous material. This in turn causes an increase in thermal insulation and acoustic damping.

Bei hohlen Fasern ist es von Vorteil, wenn der Innendurchmesser entlang der Faserlängsachse variiert wird. Das führt zu einer Erhöhung des Wärmewiderstandes, insbesondere bei Wärmetransport durch Strahlung (bei hohen Temperaturen), und zu einer Verbesserung des akustischen Dämpfungsvermögen. Der Durchmesser der Fasern liegt vorteilhaft zwischen 0.005 mm und 1 mm. In the case of hollow fibers, it is advantageous if the inside diameter is along the Longitudinal fiber axis is varied. This leads to an increase in Thermal resistance, especially in the case of heat transport by radiation (at high temperatures), and to improve the acoustic Damping capacity. The diameter of the fibers is advantageously between 0.005 mm and 1 mm.

Es ist vorteilhaft, wenn die Oberfläche der Fasern rauh ist, denn dies bewirkt eine gute mechanische Verklemmung mit dem Bindemittel, mit deren Hilfe die Fasern auf dem metallischen Träger verbunden sind. It is advantageous if the surface of the fibers is rough, because this causes one good mechanical jamming with the binder, with the help of which the fibers are connected to the metallic support.

Weiterhin ist es zweckmässig, wenn die Fasern auf der Vorderfläche des metallischen Trägers mittels Bindephase aus keramischem Kleber und/oder metallischem Lot befestigt sind und die Bindephase die Spalten und Zwickel zwischen den Fasern zumindest teilweise ausfüllt, wobei die Höhe der Füllung zwischen 2 bis 100% der Faserlänge, von der Vorderseite des metallischen Trägers aus gemessen, beträgt. Im Falle der teilweisen Füllung bleiben die Spalten im Bereich des Abstandes von der heissgasseitigen Oberfläche zu einem bestimmten Prozentsatz der Faserlänge frei von Bindemittel, so dass die Fasern in diesem Bereich frei gegeneinander beweglich sind. Furthermore, it is useful if the fibers on the front surface of the metallic carrier by means of a binding phase made of ceramic adhesive and / or metallic solder are attached and the binding phase the gaps and gussets between the fibers at least partially filled, the height of the filling between 2 to 100% of the fiber length, from the front of the metallic Carrier measured from. In the case of partial filling, they remain Gaps in the area of the distance from the hot gas surface to one certain percentage of fiber length free from binder, so the fibers are freely movable against each other in this area.

Es ist ausserdem vorteilhaft, wenn der metallische Träger, auf dem die Fasern befestigt sind, wannenförmig mit einem Wannenboden und Seitenwänden ausgebildet ist und die Seitenwände mit Kühlluftkanälen versehen sind, die sich senkrecht zum Wannenboden und damit senkrecht zur heissgasseitigen Oberfläche erstrecken. Die so gebildete Mulde nimmt die Fasern als ein Bündel auf, die Wände begrenzen das Bündel und verhindern ein Auffächern des Bündels an den Rändern. Durch die Kühlung der Seitenwände wird die Beständigkeit des Materials gegen Oxidation und Verformung gewährleistet. It is also advantageous if the metallic support on which the fibers are attached, trough-shaped with a trough bottom and side walls is formed and the side walls are provided with cooling air channels, which are perpendicular to the tub floor and thus perpendicular to the hot gas side Extend surface. The trough formed in this way takes the fibers as a bundle on, the walls limit the bundle and prevent the Bundle on the edges. By cooling the side walls Resistance of the material against oxidation and deformation guaranteed.

Schliesslich ist es zweckmässig, wenn die Wände senkrecht zum Boden geschlitzt sind. Das hat den Vorteil, dass thermo-mechanische Spannungen in den Wänden niedrig bleiben. Finally, it is useful if the walls are slotted perpendicular to the floor are. The advantage is that thermo-mechanical stresses in the walls stay low.

Brief description of the drawing

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen: Several exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing. Show it:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung des erfindungsgemässen Bauteiles in einer ersten Ausführungsform mit keramischen Fasern mit rundem Vollquerschnitt; Figure 1 is a schematic perspective view of the component according to the invention in a first embodiment with ceramic fibers with a round full cross-section.

Fig. 2 einen Schnitt durch das Bauteil entlang der Linie II-II in Fig. 1; 2 shows a section through the device along the line II-II in Fig. 1.

Fig. 3 eine Draufsicht auf das Bauteiles gemäss Fig. 1; Fig. 3 is a plan view of the component according to FIG. 1;

Fig. 4 eine Draufsicht auf ein Bauteil in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit keramischen Fasern mit ovalem Querschnitt; Figure 4 is a plan view of a component in a second embodiment of the invention with ceramic fibers having an oval cross-section.

Fig. 5 eine Draufsicht auf ein Bauteil in einer dritten Ausführungsform der Erfindung mit keramischen Fasern mit polygonalem Querschnitt; Figure 5 is a plan view of a component in a third embodiment of the invention with ceramic fibers having a polygonal cross-section.

Fig. 6 einen Schnitt durch ein Bauteil mit diversen hohlen bzw. porösen Fasern und Fig. 6 shows a section through a component with various hollow or porous fibers and

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemässen wannenförmigen Wärmeisolationsbauteiles. Fig. 7 is a perspective view of a trough-shaped heat insulation component according to the invention.

Es sind nur die für die Erfindung wesentlichen Merkmale dargestellt. Gleiche Elemente haben in unterschiedlichen Figuren gleiche Bezugszeichen. Only the features essential to the invention are shown. Same Elements have the same reference symbols in different figures.

Ways of Carrying Out the Invention

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Fig. 1 bis 7 näher erläutert. The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments and FIGS. 1 to 7.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen perspektivischen Darstellung ein Wärmeisolationsbauteil in einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Das Bauteil wird gebildet aus einem metallischen Träger 1 und aus keramischen Fasern 2. Fig. 1 shows in a schematic perspective view of a heat insulating member in a first embodiment of the invention. The component is formed from a metallic carrier 1 and from ceramic fibers 2 .

Die Fasern 2 bestehen aus oxidkeramischen Material, vorzugsweise Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliziumoxid, Magnesiumoxid oder Titanoxid, oder aus einer Mischung zweier oder mehrerer dieser Oxide, entweder in Form verschiedener Phasen der Einzelkomponenten oder verschiedener Mischphasen oder in Form einer Mischphase. The fibers 2 consist of oxide ceramic material, preferably aluminum oxide, zirconium oxide, silicon oxide, magnesium oxide or titanium oxide, or of a mixture of two or more of these oxides, either in the form of different phases of the individual components or different mixed phases or in the form of a mixed phase.

Der Träger 1 weist eine Vorderfläche 3 auf, welche hohen Temperaturen ausgesetzt ist, also z. B. der Heissgasseite in einer Gasturbinenbrennkammer zugewandt ist, und ausserdem eine Rückfläche 4, welche gekühlt wird und somit die kältere Fläche der Bauteile darstellt. Das Wärmeisolationsbauteil kann somit beispielsweise ein Teil einer Gasturbinenbrennkammerwand sein. The carrier 1 has a front surface 3 which is exposed to high temperatures, e.g. B. the hot gas side in a gas turbine combustion chamber, and also a rear surface 4 , which is cooled and thus represents the colder surface of the components. The heat insulation component can thus be part of a gas turbine combustion chamber wall, for example.

Die Fasern 2 haben in dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 jeweils einen runden Vollquerschnitt mit einem Durchmesser D im Bereich von 0,005 mm bis 2 mm und eine Faserlänge L. Der Durchmesser D der Fasern 2 ist in diesem Beispiel in Faserlängsrichtung konstant, er kann in einem andern Ausführungsbeispiel aber auch über die Faserlänge variieren. Die Faserlänge L ist möglichst gross, um dadurch eine grosse Dicke der Isolation und eine möglichst grosse Temperaturabsenkung zu erreichen. Die Länge L der Fasern 2 wird in Abhängigkeit vom Durchmesser D begrenzt von der Tendenz zur elastischen Verformung (Biegung) und damit den Möglichkeiten der Herstellbarkeit, Formstabilität und mechanischen Stabilität. In the exemplary embodiment according to FIG. 1, the fibers 2 each have a round full cross section with a diameter D in the range from 0.005 mm to 2 mm and a fiber length L. In this example, the diameter D of the fibers 2 is constant in the longitudinal direction of the fiber, it can be in one other embodiment but also vary over the fiber length. The fiber length L is as large as possible in order to achieve a great thickness of the insulation and the greatest possible temperature reduction. Depending on the diameter D, the length L of the fibers 2 is limited by the tendency towards elastic deformation (bending) and thus the possibilities of manufacture, dimensional stability and mechanical stability.

Die Fasern 2 sind parallel zueinander ausgerichtet und bilden ein dicht gepacktes Faserbündel. Sie sind mit der Faserlängsrichtung im wesentlichen senkrecht zur Vorderfläche des Trägers 1 und damit zur heissgasseitigen Oberfläche angeordnet. Das Bündel keramischer Fasern 2 wirkt somit als Wärmeisolation für den metallischen Träger 1. In der genannten Anordnung liegen die Fasern 2 parallel zum Temperaturgradienten im Bauteil. The fibers 2 are aligned parallel to one another and form a tightly packed fiber bundle. They are arranged with the fiber longitudinal direction essentially perpendicular to the front surface of the carrier 1 and thus to the hot gas side surface. The bundle of ceramic fibers 2 thus acts as thermal insulation for the metallic carrier 1 . In the arrangement mentioned, the fibers 2 lie parallel to the temperature gradient in the component.

Die Zwischenräume zwischen den Fasern 2 bilden ein Netz vollständig miteinander verbundener Spalte 5, die parallel zu den Fasern 2 und senkrecht zum metallischen Träger ausgerichtet sind. Das Netz der vollständig miteinander verbundenen Spalte 5 ist besonders deutlich in der Draufsicht auf das erfindungsgemässe Wärmeisolationsbauteil in Fig. 3 zu sehen. The spaces between the fibers 2 form a network of completely interconnected gaps 5 , which are aligned parallel to the fibers 2 and perpendicular to the metallic carrier. The network of completely interconnected gaps 5 can be seen particularly clearly in the top view of the thermal insulation component according to the invention in FIG. 3.

Fig. 2 zeigt in einer Schnittdarstellung entlang der Linie II-II von Fig. 1, dass die Fasern 2 mit Hilfe einer Bindephase 6 auf der Vorderfläche 3 des metallischen Trägers 2 befestigt sind. Die Befestigung erfolgt stoffschlüssig. Vorzugsweise ist die Oberfläche der Fasern 2 rauh, so dass dadurch in vorteilhafter Weise eine zusätzliche gute mechanische Verklammerung mit der Bindephase 6 erreicht wird. FIG. 2 shows in a sectional illustration along the line II-II of FIG. 1 that the fibers 2 are fastened on the front surface 3 of the metallic carrier 2 with the aid of a binding phase 6 . The attachment is cohesive. The surface of the fibers 2 is preferably rough, so that an additional good mechanical interlocking with the binding phase 6 is thereby advantageously achieved.

Die Bindephase 6 kann beispielsweise ein keramischer Kleber, ein metallisches Lot, jeweils mit oder ohne inertem Füllmaterial, oder eine Mischung aus Beiden sein. Die Bindephase 6 füllt die Spalte 5 einschliesslich der Zwickel zwischen den Fasern 2 vollständig oder wie in Fig. 2 gezeigt, vorzugsweise teilweise (zwischen 5 und 95% der Faserlänge L) aus. Somit bleiben die Spalte 5 im Bereich eines Abstandes von der heissgasseitigen Oberfläche von 5 bis 95% der Länge L der Fasern 2 frei von der Bindephase 6, d. h. sie sind in diesem Bereich frei gegeneinander beweglich. The binding phase 6 can be, for example, a ceramic adhesive, a metallic solder, in each case with or without an inert filler, or a mixture of the two. The binding phase 6 fills the gaps 5 including the gusset between the fibers 2 completely or, as shown in FIG. 2, preferably partially (between 5 and 95% of the fiber length L). The gaps 5 thus remain free of the binding phase 6 in the region of a distance from the hot gas-side surface of 5 to 95% of the length L of the fibers 2 , that is to say they are freely movable relative to one another in this region.

Wird als Bindephase 6 ein metallisches Lot gewählt, so ist dieses mit dem metallischen Trägermaterial verträglich im Bereich der Einsatztemperaturen und Einsatzatmosphäre und unter diesen Bedingungen fest. Es kann bei gegebenenfalls erforderlicher Wärmebehandlung des Trägermaterials teilweise oder auch vollständig aufschmelzen und damit zu einer besseren Benetzung und zu einer besseren Verbindung zwischen den Fasern 2 und dem Träger 1 führen. Das Lot kann bei der Herstellung der Verbindung als Metall oder Legierung vorliegen und im Wärmebehandlungsschritt und/oder unter Betriebsbedingungen oxidieren und sich dadurch und in ein nichtmetallisches Material umwandeln, z. B. durch Verwendung von Aluminium. If a metallic solder is chosen as the binding phase 6 , it is compatible with the metallic carrier material in the range of the application temperatures and application atmosphere and solid under these conditions. If heat treatment of the carrier material is required, it can partially or completely melt and thus lead to better wetting and to a better connection between the fibers 2 and the carrier 1 . The solder can be present as a metal or alloy during the production of the connection and can oxidize in the heat treatment step and / or under operating conditions and thereby transform itself into a non-metallic material, e.g. B. by using aluminum.

Die Verwendung eines metallischen Werkstoffes, insbesondere im Übergangsbereich zwischen dem metallischen Träger 1 und den keramischen Fasern 2, wirkt sich günstig auf unterschiedliche thermische Dehnungen von Fasern 2, keramischem Kleber als Bindephase 6 und metallischem Träger 1 aus und kann gegebenenfalls solche unterschiedlichen Dehnungen ohne die Ausbildung von Rissen kompensieren. The use of a metallic material, in particular in the transition area between the metallic carrier 1 and the ceramic fibers 2 , has a favorable effect on different thermal expansions of fibers 2 , ceramic adhesive as the binding phase 6 and metallic carrier 1 and can possibly do such different expansions without training compensate for cracks.

Die Fig. 3 bis 5 zeigen in einer Draufsicht jeweils unterschiedliche Anordnungen und Querschnittsformen der Fasern 2 mit dem Netz der um die einzelnen Fasern 2 angeordneten Bindephase 5. Fig. 3 zeigt Fasern 2 mit einem runden Vollquerschnitt, Fig. 4 zeigt Fasern 2 mit einem ovalen Vollquerschnitt und Fig. 5 zeigt Fasern 2 mit einem polygonalen, hier sechseckigen Querschnitt mit gerundeten Kanten. FIGS. 3 to 5 show in plan view each have different arrangements and cross-sectional shapes of fibers 2 with the network of which is arranged around the individual fibers 2 binder Phase 5. Fig. 3 shows fibers 2 with a round solid cross-section, Fig. 4 shows fibers 2 with an oval cross-section and full FIG. 5 shows fibers 2 having a polygonal, hexagonal here cross-section with rounded edges.

Vorzugsweise sind die Fasern 2 hohl, wie das in der Schnittdarstellung in Fig. 6 schematisch gezeigt ist. Die Fasern 2 weisen in Faserlängsrichtung einen oder auch mehrere Kanäle 7 mit vorzugsweise runden, ovalen oder polygonalen Querschnitten auf. Wie in Fig. 6 in einer Schnittdarstellung für verschiedene Fasern 2 dargestellt ist, können sich die Kanäle 7 durch die gesamte Faser 2 erstrecken oder beliebig oft durch Feststoff unterbrochen sein. Sind mehrere Kanäle 7 vorhanden, so kann deren Anordnung regelmässig oder unregelmässig sein. Vorteilhaft ist, wenn der Durchmesser d der Kanäle 7 über die Kanallänge variiert, da dies eine Erhöhung des Wärmewiderstandes, insbesondere bei Wärmetransport durch Strahlung (bei hohen Temperaturen), und des akustischen Dämpfungsverhaltens begünstigt. The fibers 2 are preferably hollow, as is shown schematically in the sectional illustration in FIG. 6. The fibers 2 have one or more channels 7 in the longitudinal direction of the fibers, preferably with round, oval or polygonal cross sections. As shown in FIG. 6 in a sectional view for different fibers 2 , the channels 7 can extend through the entire fiber 2 or can be interrupted as often as desired by solid. If there are several channels 7 , their arrangement can be regular or irregular. It is advantageous if the diameter d of the channels 7 varies over the channel length, since this favors an increase in the thermal resistance, in particular in the case of heat transport by radiation (at high temperatures), and in the acoustic damping behavior.

Ausserdem ist es vorteilhaft, wenn die Fasern 2 porös sind, wobei die Poren 8 in Faserlängsrichtung gestreckt sind (siehe Fig. 6). Wie bei hohlen Fasern 2 werden bei porösen Fasern 2 die Wärmeleitfähigkeit und der Elastizitätsmodul gegenüber porenfreien Fasern 2 gesenkt. Das bewirkt eine zusätzliche Erhöhung des thermischen Isolationsvermögens und des akustischen Dämpfungsvermögens. Zu diesen Zwecken ist eine möglichst hohe Porosität, z. B. zwischen 80% und 90% wünschenswert, allerdings bewirkt natürlich eine Zunahme der Porosität der Fasern 2 eine Herabsetzung ihrer Bruchfestigkeit. Es gibt ein Optimum aus Wärmeleitfähigkeit des Grundmaterials, thermischem Ausdehnungskoeffizienten E-Modul, Querkontraktionszahl, Mikrostruktur und Bruchfestigkeit, welches für den konkreten Einsatzfall ermittelt werden muss. It is also advantageous if the fibers 2 are porous, the pores 8 being stretched in the longitudinal direction of the fibers (see FIG. 6). As with the hollow fibers 2, the thermal conductivity and modulus of elasticity than non-porous fibers 2 are cut with porous fibers. 2 This causes an additional increase in the thermal insulation capacity and the acoustic damping capacity. For these purposes, the highest possible porosity, e.g. B. between 80% and 90% desirable, but of course an increase in the porosity of the fibers 2 causes a reduction in their breaking strength. There is an optimum of the thermal conductivity of the base material, the coefficient of thermal expansion, the modulus of elasticity, the transverse contraction number, the microstructure and the tensile strength, which must be determined for the specific application.

In der beschriebenen Anordnung liegen die keramischen Fasern 2 parallel zum Temperaturgradienten im Bauteil. Thermomechanischen Spannungen aufgrund unterschiedlicher thermischer Dehnung können sich in den Fasern 2 im wesentlichen nur senkrecht zum Temperaturgradienten, also parallel zur heissgasseitigen Vorderfläche 3 und gekühlten Rückfläche 4 ausbilden. Die Höhe dieser thermomechanischen Spannungen wird bei gegebener Höhe des Temperaturgradienten, bei gegebenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, E- Modul und Querkontraktionszahl nur von den geometrischen Dimensionen der Fasern 2, und zwar parallel zur Vorder- bzw. Rückfläche 3, 4 des metallischen Trägers 1 bestimmt, also im wesentlichen durch den Durchmesser D der Fasern 2. Bei Wahl eines genügend kleinen Faserdurchmessers D, bei welchem die Spannungen ausreichend unter der Bruchfestigkeit der Fasern 2 liegen, wird somit eine Isolation mit hoher Stabilität und Zuverlässigkeit erzielt. Durch das Netz von Spalten 5 wird gleichzeitig verhindert, dass sich grössere Risse parallel zur Oberfläche bilden und wachsen können, welche nachteilig zu Abplatzungen führen könnten. Aufgrund der Faser- und Spaltenstruktur selbst bzw. aufgrund des Aufbaus der Fasern 2 ist die Faserbündeloberfläche akustisch weich und wirkt somit z. B. beim Einsatz des erfindungsgemässen Wärmeisolationsbauteiles in einer Gasturbinenbrennkammer auf mögliche Pulsationen dämpfend. In the arrangement described, the ceramic fibers 2 lie parallel to the temperature gradient in the component. Thermomechanical stresses due to different thermal expansion can only develop in the fibers 2 essentially perpendicular to the temperature gradient, that is to say parallel to the hot gas-side front surface 3 and the cooled rear surface 4 . For a given height of the temperature gradient, given a given coefficient of thermal expansion, modulus of elasticity and transverse contraction number, the level of these thermomechanical stresses is only determined by the geometric dimensions of the fibers 2 , namely parallel to the front or rear surface 3 , 4 of the metallic carrier 1 , that is essentially by the diameter D of the fibers 2 . If a sufficiently small fiber diameter D is chosen, in which the stresses are sufficiently below the breaking strength of the fibers 2 , insulation with high stability and reliability is thus achieved. The network of gaps 5 simultaneously prevents larger cracks from forming and growing parallel to the surface, which could lead to flaking. Due to the fiber and column structure itself or due to the structure of the fibers 2 , the fiber bundle surface is acoustically soft and thus acts z. B. damping possible pulsations when using the thermal insulation component according to the invention in a gas turbine combustion chamber.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der metallische Träger 2 ist hier in Form einer Wanne mit einer quaderförmigen Mulde ausgebildet. Die Wanne wird begrenzt durch Seitenwände 9 und einen Wannenboden 10. Die Mulde der Wanne nimmt die Fasern 2 auf, die Seitenwände 9 der Wanne begrenzen die Faserbündel und verhindern ein Auffächern des Bündels an den Rändern. Die Seitenwände 9 können aus artgleichem Material wie der Wannenboden 10 hergestellt sein. Es ist aber vorteilhaft, den Wannenboden 10 aus einem kostengünstigeren Material mit geringerer Temperaturbeständigkeit herzustellen. Die Seitenwände 9 weisen in einer bevorzugten Ausführungsform Kanäle 11 in Wandrichtung, also senkrecht zur heissgasseitigen Oberfläche auf. Durch diese Kanäle 11 strömt Luft, welche eine Effusionskühlung der Wände bewirkt. Dadurch wird die Beständigkeit des Materials gegen Oxidation und Verformung gewährleistet. Die Seitenwände 9 sind vorteilhaft senkrecht zum Wannenboden geschlitzt. Die Schlitze 13 dienen dazu, thermo-mechanische Spannungen gering zu halten. Die heissgasseitige Oberfläche ist gegebenenfalls mit einer z. B. mittels Plasmaspritzen aufgebrachten Wärmedämmschicht 12 versehen. Der Wannenboden 10 ist vorzugsweise rauh gestaltet, die Rauhigkeit kann auch durch Aufbringen einer Plasmaspritzschicht aus einem oxidischen Material realisiert werden. Fig. 7 shows a further embodiment of the invention. The metallic carrier 2 is designed here in the form of a trough with a cuboidal trough. The tub is delimited by side walls 9 and a tub floor 10 . The trough of the trough receives the fibers 2 , the side walls 9 of the trough delimit the fiber bundles and prevent the bundle from fanning out at the edges. The side walls 9 can be made of the same type of material as the tub floor 10 . However, it is advantageous to manufacture the tub floor 10 from a less expensive material with lower temperature resistance. In a preferred embodiment, the side walls 9 have channels 11 in the wall direction, that is to say perpendicular to the hot gas-side surface. Air flows through these channels 11 , which effects an effusion cooling of the walls. This ensures that the material is resistant to oxidation and deformation. The side walls 9 are advantageously slotted perpendicular to the tub floor. The slots 13 serve to keep thermo-mechanical stresses low. The hot gas side surface is optionally with a z. B. provided by means of plasma spraying thermal barrier coating 12 . The trough bottom 10 is preferably rough, the roughness can also be achieved by applying a plasma spray layer made of an oxidic material.

Das erfindungsgmässe Wärmeisolationsbauteil zeichnet sich sowohl durch sehr hohe Temperaturwechselbeständigkeit und Beständigkeit gegen Thermoschocks aus, als auch durch Stabilität gegen sehr steile Temperaturgradienten. Ausserdem weist es ein hohes akustisches Dämpfungsvermögen auf, so dass es ausgezeichnet für den Einsatz im Heissgaspfad von Gasturbinen geeignet ist. Bezugszeichenliste 1 metallischer Träger
2 keramische Faser
3 Vorderfläche von Pos. 1
4 Rückfläche von Pos. 1
5 Spalte zwischen den Positionen 2
6 Bindephase
7 Kanal in Pos. 2
8 Poren
9 Seitenwand
10 Wannenboden
11 Kanal in Pos. 9
12 Wärmedämmschicht
13 Schlitz in Pos. 9
D Durchmesser von Pos. 2
L Länge von Pos. 2
d Durchmesser von Pos. 7
The thermal insulation component according to the invention is distinguished both by very high thermal shock resistance and resistance to thermal shocks, and by stability against very steep temperature gradients. In addition, it has a high acoustic damping capacity, making it ideal for use in the hot gas path of gas turbines. REFERENCE NUMERALS 1 metal support
2 ceramic fiber
3 front surface of item 1
4 back surface of pos. 1
5 column between positions 2
6 binding phase
7 channel in pos. 2
8 pores
9 side wall
10 tray floor
11 channel in pos. 9
12 thermal barrier coating
13 slot in pos. 9
D diameter of item 2
L length of item 2
d diameter of item 7

Claims

1. Heat insulation component based on ceramic fibers, characterized in that the component consists of a metallic carrier ( 1 ) with a temperature above about 700 ° C exposed front surface ( 3 ) and a cooled back surface ( 4 ), whereby on the Front surface ( 3 ) parallel to one another and ceramic fibers ( 2 ) aligned with the longitudinal direction of the fibers perpendicular to the front surface ( 3 ), between which a network of parallel aligned and interconnected gaps ( 5 ) is formed.

2. Heat insulation component according to claim 1, characterized in that the fibers ( 2 ) consist of oxide ceramic, preferably aluminum oxide and / or zirconium oxide and / or silicon oxide and / or magnesium oxide and / or titanium oxide.

3. Thermal insulation component according to claim 1, characterized in that the cross section of the fibers ( 2 ) is round, oval or polygonal.

4. Thermal insulation component according to claim 1, characterized in that the fibers ( 2 ) consist of solid material.

5. Heat insulation component according to claim 1, characterized in that the fibers ( 2 ) each have at least one channel ( 7 ) in the longitudinal direction of the fiber, which either extends over the entire fiber ( 2 ) or is interrupted as often as desired by solids.

6. The heat insulation component according to claim 5, characterized in that the at least one channel ( 7 ) has a different diameter (d) in the longitudinal direction of the fiber.

7. Thermal insulation component according to claim 1, characterized in that the diameter (D) of the fibers ( 2 ) is in the range of 0.005 mm to 2 mm.

8. Thermal insulation component according to claim 1, characterized in that the fibers ( 2 ) have pores ( 8 ) and the porosity is in the range between 1 and 90%.

9. Thermal insulation component according to claim 8, characterized in that the pores ( 8 ) are stretched in the longitudinal direction of the fiber.

10. Thermal insulation component according to claim 1, characterized in that the fibers ( 2 ) have a rough outer surface.

11. Heat insulation component according to claim 1, characterized in that the fibers ( 2 ) on the metallic carrier ( 1 ) by means of a binding phase ( 6 ) made of ceramic adhesive and / or metallic solder are firmly bonded.

12. Thermal insulation component according to claim 11, characterized in that the binding phase ( 6 ) at least partially fills the gaps ( 5 ) and gusset between the fibers ( 2 ), the height of the filling between 2 to 100% of the fiber length (L), of measured from the front surface ( 3 ) of the metallic carrier ( 1 ).

13. Thermal insulation component according to claim 1, characterized in that the binding phase ( 6 ) is porous.

14. Thermal insulation component according to claim 1, characterized in that the binding phase ( 6 ) contains a filler material.

15. Thermal insulation component according to claim 1, characterized in that the composition of the binding phase ( 6 ) is constant over the height of the column filling.

16. Thermal insulation component according to claim 1, characterized in that the composition of the binding phase ( 6 ) can be varied over the height of the column filling.

17. Thermal insulation component according to claim 1, characterized in that the metallic carrier ( 1 ) is trough-shaped with a trough bottom ( 10 ) and side walls ( 9 ).

18. Thermal insulation component according to claim 17, characterized in that in the side walls ( 9 ) of the carrier ( 1 ) perpendicular to the trough bottom ( 10 ) arranged cooling air bores ( 11 ) are present.

19. The heat insulation component according to claim 17, characterized in that the side walls ( 9 ) have slots ( 13 ) arranged perpendicular to the trough bottom ( 10 ).

20. Thermal insulation component according to claim 1, characterized in that the entire surface of the metallic carrier ( 1 ) exposed to the high temperatures is provided with a heat insulation layer ( 12 ), preferably a thermal spray layer.

21. Thermal insulation component according to claim 20, characterized in that only the end faces of the side walls ( 9 ) are provided with a heat insulation layer ( 12 ).

22. Thermal insulation component according to claim 17, characterized in that the trough bottom ( 10 ) has a rough surface.