DE10003728A1 - Hitzeschildanordnung für eine Heißgas führende Komponente, insbesondere für Strukturteile von Gasturbinen - Google Patents

Abstract

Ein Heißgasraum, z. B. eine Brennkammer (7) einer Gasturbinenanlage, ist durch Hitzeschildelemente (1) ausgekleidet. Eine geschlossene Kühlluftführung wird dadurch erreicht, dass ein Hitzeschildelement (1) als Hohlkörper ausgeführt wird, in den durch einen Kühlluftzufuhrkanal Kühlluft strömt. Nach Austritt der Kühlluft aus dem Hitzeschildelement (1) durch mindestens eine Öffnung (8) wird die Kühlluft in einem Kachelzwischenraum (5) gesammelt und anschließend für die Verbrennung genutzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von Hitzeschildelemen­ ten für eine Heißgas führende Struktur, insbesondere ein me­ tallisches Bauteil einer Gasturbinenanlage oder Brennkammer. Die Anordnung besteht aus einer Mehrzahl von Hitzeschildele­ menten, die flächendeckend nebeneinander auf einer Tragstruk­ tur angeordnet und mit dieser verankert sind.

Aufgrund der in Heißgasräumen herrschenden hohen Temperaturen besteht die Notwendigkeit, eine Tragstruktur, die heißem Gas ausgesetzt ist, zu schützen. Hierzu ist es beispielsweise möglich, den Heißgasraum mit Hitzeschildelementen auszuklei­ den, deren dem Heißgas zugewandte Fläche gekühlt wird.

In DE-U-297 14 742.0 wird eine Hitzeschildkomponente mit Kühlfluidrückführung und Hitzeschildanordnung für eine Heiß­ gas führende Komponente beschrieben. Die Hitzeschildkomponen­ te besteht aus einer hohlen Anordnung mit einer äußeren Scha­ le und einem kleinen, hohlen Einsatz. Zwischen dem Einsatz und der äußeren Schale liegt ein Zwischenraum vor, der mit dem Kühlfluid durchströmbar ist. Der Einsatz besitzt auf der Bodenseite Durchlassöffnungen für das Kühlfluid. Eine ge­ schlossene Kühlfluidführung wird dadurch erreicht, daß das Kühlfluid durch Kanäle in der Tragstruktur in den Einsatz strömt, von dort durch Durchlassöffnungen in die äußere Scha­ le strömt - die Kühlung erfolgt dabei durch Prallkühlung und Konvektionskühlung - und von dort durch separate Auslasskanä­ le in der Tragstruktur zurückströmt. Der mehrschalige Aufbau des Hitzeschildelements gewährleistet die geschlossene Kühl­ fluidführung. Ein derartiger mehrschaliger Aufbau jedoch ist sehr aufwändig.

In DE 197 51 299 C2 wird eine Brennkammer sowie ein Verfahren zur Dampfkühlung einer Brennkammer vorgeschlagen. Dabei be­ steht die Tragstruktur der Brennkammer aus Innen-, Zwischen- und Außenwand. Das Kühlfluid, insbesondere Kühldampf, strömt durch einen Einlass in einen Außenkühlraum, von dort aus durch Öffnungen in der Zwischenwand in einen Innenkühlraum und von dort zum Auslass. Die Kühlung der Innenwand erfolgt durch Prallkühlung beim Übertritt des Kühlfluids durch die Öffnungen der Zwischenwand vom Außen- in den Innenkühlraum, dessen dem Heißgas zugewandte Wand die zu kühlende Innenwand darstellt, und durch Konvektionskühlung durch das in Richtung Auslass strömende Fluid. Ein Kühlfluidkreislauf wird dabei durch den mehrschaligen Aufbau der Außenwand aufgebaut. Eine derartige mehrschalige Brennkammergehäusekonstruktion ist aufwändig. Außerdem erfordert die Verwendung von Dampf als Kühlfluid, dass der Kühldampf bereits beim Start der Turbine erzeugt sein und in den Prozess rückgespeist werden muss.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hitzeschildan­ ordnung anzugeben, die einen ökonomischen Betrieb der Anlage ermöglicht. Je nach Bedarf kann ein ökonomischer Betrieb in erster Linie geringe Kühlmittelverluste, eine niedrige Ge­ räuschentwicklung, einen hohen Wirkungsgrad oder eine einfa­ che und montagefreundliche Konstruktion erfordern.

Erfindungsgemäß ist bei einer Hitzeschildanordnung der ein­ gangs angegebenen Art ein Hitzeschildelement ein einschaliger Hohlkörper, der einen Kühlluftzufuhrkanal und mindestens eine Öffnung zum Austritt der Kühlluft in einen Kachelzwischen­ raum, der sich zwischen den einzelnen Hitzeschildelementen befindet, besitzt. Ein derartiger einschaliger Aufbau ist konstruktiv wesentlich einfacher als der Aufbau bereits be­ kannter mehrschaliger Hitzeschildelemente.

Eine geschlossene Kühlfluidführung wird in dieser Anordnung dadurch erreicht, dass die Kühlluft durch den Kühlluftzufuhr­ kanal in der Tragstruktur in das Innere des Hohlkörpers strömt, wo beispielsweise mittels eines Prallkühlbleches die dem Heißgas zugewandte Fläche des Hohlkörpers gekühlt wird. Nach Ausströmen der Kühlluft in den Kachelzwischenraum kann die dort gesammelte Luft zur Verbrennung genutzt werden.

Eine weitere Minimierung des Kühlluftverbrauchs kann man da­ durch erreichen, dass sich zwischen den Hitzeschildelementen Dehnungsspalten finden, in denen Dichtelemente, bevorzugt Riffelbleche, sitzen. Das Ausströmen der Kühlluft aus dem Hohlkörper durch die mindestens eine Öffnung stellt neben der Kühlung der seitlichen Kanten des Hohlkörpers selbst und der Kühlung des benachbarten Hitzeschildelements auch die Kühlung des Dichtelements sicher.

Zweckmäßig wird ein Hitzeschildelement der Anordnung mit der Tragstruktur unter Vorspannung verankert. Eine derartige Ver­ ankerung sichert die Lage des Hitzeschildelements gegen Ver­ drehung, besonders bei den häufig im Betrieb auftretenden Heiß-Kalt-Übergängen und den damit verbundenen Ausdehnungs- und Kontraktionsvorgängen der beteiligten Komponenten der An­ ordnung.

Vorteilhaft sitzen die Dichtelemente in Nuten der Hitze­ schildelemente, wobei ein Spiel in Nutenquerrichtung belassen wird. Dadurch können benachbarte Hitzeschildelemente nach Lö­ sen der Verankerung zwischen Hitzeschildelement und Trag­ struktur gegeneinander in Richtung der Dichtelemente - d. h. im Nutenquerrichtung - verschoben werden. Man kann ein Hitze­ schildelement von der Heißgasseite aus demontieren und ent­ nehmen, indem man seine Verankerung mit der Tragstruktur und diejenige der benachbarten Hitzeschildelemente löst, die be­ nachbarten Hitzeschildelemente vom zu entnehmenden Hitze­ schildelement unter Ausnutzung des vorher, genannten Spiels wegschiebt und das zu demontierende Hitzeschildelement ent­ nimmt.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel einer Hitzeschild­ anordnung angegeben. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Mitte eines Hitzeschild­ elements mit Tragstruktur einschließlich der Veranke­ rung des Hitzeschildelements mit der Tragstruktur,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch zwei benachbarte Hitzeschild­ elemente im Bereich des Dichtelements zwischen den Hit­ zeschildelementen, und

Fig. 3 eine Draufsicht von der Heißgasseite aus auf mehrere nebeneinander angeordnete Hitzeschildelemente.

Fig. 1 zeigt ein Hitzeschildelement 1, das in der Mitte längs aufgeschnitten dargestellt ist. Die Verankerung des Hitze­ schildelements 1 mit der Tragstruktur 2 erfolgt beispielswei­ se durch eine Zugverschraubung. Die Zugverschraubung besteht vorteilhaft aus einem zentralen Befestigungsbolzen 3a, der ein Außengewinde besitzt, einer oder mehreren Tellerfedern 3b sowie einer Mutter 3c. Die Zugverschraubung spannt das Hitze­ schildelement 1 gegen die Tragstruktur 2 vor und wird mittels einer oder mehrerer Tellerfedern 3b auf Zug gehalten. Durch die so erreichte Vorspannung wird das Hitzeschildelement 1 in seiner Lage gesichert. Dichtelemente 4 verhindern das Ein­ strömen von Kühlluft aus dem Kachelzwischenraum 5 durch den Dehnungsspalt 6 in die Brennkammer 7. Eine Öffnung 8 zum Aus­ tritt der Kühlluft aus dem Hohlkörper 1 in den Kachelzwi­ schenraum 5 wird vorzugsweise durch ringsum an der Seitenwand des Hitzeschildelements angebrachte Teilöffnungen realisiert. Vorteilhaft werden diese Teilöffnungen nahe der Heißgasseite angebracht, so dass die Kühlung der seitlichen Ränder des Hitzeschildelements selbst, sowie die Kühlung der Dichtele­ mente 4 und die Kühlung der benachbarten Hitzeschildelemente sichergestellt wird. Eine derartige Anordnung der Öffnung 8 bzw. Teilöffnungen verbessert außerdem die Kühlung der Sei­ tenränder benachbarter Hitzeschildelemente, wobei hierfür praktisch keine Kühlluftleckagen hingenommen werden müssen.

Nebeneinander liegende, von einem Dehnungsspalt 6 getrennte Hitzeschildelemente 1 können auf verschiedene Weise (z. B. mittels einer Nut- und Feder-Verbindung) miteinander verfugt sein.

Fig. 2 zeigt ein Dichtelement 4 zwischen zwei benachbarten Hitzeschildelementen. Das Dichtelement 4 wird vorzugsweise als Riffelblech ausgeführt. Das Dichtelement 4 sitzt in Nuten 9 der Hitzeschildelemente unter Belassung eines Spiels 10.

Fig. 3 zeigt die nebeneinander auf einer Tragstruktur 2 ange­ ordneten Hitzeschildelemente von der Heißgasseite aus gese­ hen. Die dem Heißgas ausgesetzten Flächen der Hitzeschildele­ mente sind in der Zeichnung weggelassen, um einen Blick in das Innere der Hohlkörper zu ermöglichen.

Der Kühlluftzufuhrkanal 11 wird beispielsweise als vier Teil­ kanäle ausgeführt. Eine Verankerung eines Hitzeschildelements mit der Tragstruktur 2 kann beispielsweise durch eine durch die Öffnung 12 hindurchgeführte Schraubverbindung hergestellt werden.

Die Pfeile deuten die Richtung der Verschiebbarkeit der Hit­ zeschildelemente an, nachdem deren Verankerung mit der Trag­ struktur 2 gelöst wurde. Dabei wird das in Fig. 2 gezeigte Spiel 10 für die Verschiebung der Hitzeschildelemente ausge­ nutzt. Nachdem die Verankerung der vier zu einem Hitzeschild­ element 13 benachbarten Hitzeschildelemente mit der Trag­ struktur gelöst wurde, kann dieses Hitzeschildelement 13 von der Heißgasseite aus demontiert und entnommen werden. Bei Wartungsarbeiten ist eine derartige Zugänglichkeit der Hitze­ schildelemente von der Heißgasseite aus vorteilhaft.

Claims (6)

1. Hitzeschildanordnung mit geschlossener Kühlluftführung für eine Heißgas führende Struktur, insbesondere ein metallisches Bauteil einer Gasturbinenanlage oder Brennkammer, mit flä­ chendeckend nebeneinander auf einer Tragstruktur (2) veran­ kerten Hitzeschildelementen (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Hitze­ schildelemente (1) einschalige Hohlkörper sind und einen Kühlluftzufuhrkanal und mindestens eine Öffnung zum Austritt der Kühlluft in einen Kachelzwischenraum (5), der sich zwi­ schen den einzelnen Hitzeschildelementen (1) befindet, besit­ zen.

2. Hitzeschildanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hitze­ schildelemente (1) mit der Tragstruktur (2) unter Vorspannung verankert sind.

3. Hitzeschildanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Dehnungsspalten (6) zwischen den Hitzeschildelementen (1) und Dichtelemente (4), bevorzugt Riffelbleche, in den Dehnungsspalten (6).

4. Hitzeschildanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicht­ elemente (4) in Nuten (9) der Hitzeschildelemente (1) sitzen, unter Belassung eines Spiels (10) in Nuten-Querrichtung.

5. Hitzeschildanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicht­ elemente (4) so gestaltet sind, dass nach dem Lösen der Ver­ ankerung zwischen einem ersten Hitzeschildelement (1) und der Tragstruktur (2) benachbarte Hitzeschildelemente gegeneinan­ der in Richtung der Dichtelemente derart verschiebbar sind, dass das erste Hitzeschildelement von der Heißgasseite aus entnehmbar ist.

6. Hitzeschildanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Öff­ nung 8 zum Austritt der Kühlluft aus dem Hitzeschildelement (1) in am heißgasseitigen seitlichen Rand des Hitzeschildele­ ments (1) umlaufend angeordneten Teilöffnungen (9) besteht.