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Die
Erfindung betrifft eine Hitzeschildanordnung bestehend aus einer
Tragstruktur und einem daran befestigten Hitzeschild mit einer auf
der Tragstruktur anliegenden, umlaufenden Seitenwand wobei die Seitenwand
zumindest bereichsweise eine Nut aufweist sowie einer der Tragstruktur
zugewandten Innenraum sowie durch Nut und Seitenwand definierte
Nutkanten. Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkammer, die eine
Hitzeschildanordnung aufweist, sowie eine Gasturbine mit einer derartigen Brennkammer.
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Aufgrund
der in Heißgaskanälen oder anderen Heißgasräumen
herrschenden hohen Temperaturen ist es erforderlich, die Innenwandung
eines Heißgaskanals bestmöglichst temperaturresistent
zu gestalten. Hierzu bieten sich hochwarmfeste Werkstoffe, z. B.
Keramiken an. Der Nachteil keramischer Werkstoffe liegt sowohl in
ihrer starken Sprödigkeit sowie in ihrem ungünstigen
Temperaturleitverhalten. Als Alternative zu keramischen Werkstoffen
für Hitzeschilde bieten sich hochwarmfeste metallische
Legierungen auf Eisen, Nickel- oder Kobaltbasis an. Da die Einsatztemperatur
von hochwarmfesten Metalllegierungen aber deutlich unter der Heißgastemperatur liegt,
ist es erforderlich, metallische Hitzeschilde in Heißgaskanälen
zu kühlen.
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Die
US 6 470 685 B2 offenbart
eine Hitzeschildanordnung mit einem ersten Hitzeschild und einem
dazu benachbarten, unter Belassung eines Spalts angeordneten zweiten
Hitzeschild. Die einzelnen Hitzeschilde sind an einer Tragstruktur
angebracht, so dass jeweils ein Innenraum begrenzt wird. An der
Heißwandseite eines Hitzeschilds sind eine Vielzahl in
den Innenraum hineinragende Stäbe angebracht, die eine
bessere Kühlung des Hitzeschilds vom Innenraum her ermöglichen.
Die Seitenwände der Hitzeschilde sind mit einem zusätzlichen
Element verlängert, d. h. die Seitenwände liegen
direkt an der Tragstruktur auf. Um ein Ausströmen der Luft
aus dem Innenraum zu ermöglichen, sind Kühlöffnungen in
den Seitenwänden eingebracht.
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Die
GB 2 298 266 A offenbart
eine Hitzeschildanordnung mit sich in den Endbereichen überlappenden
Hitzeschilden. Diese bildet somit eine vollständige Überdeckung
der zu schützenden Wand vor Heißgas. Mindestens
eine Seitenwand jedes Hitzeschilds liegt mit mindestens einem Kontaktpunkt
direkt auf der Tragstruktur. Um ein Ausströmen der Luft zu
ermöglichen, sind sowohl in der Heißseite der
Hitzeschilde als auch in den Seitenwänden Kühlöffnungen
eingebracht.
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Die
EP 1 507 116 A1 weist
eine Hitzeschildanordnung auf, die mehrere unter Belassung eines Spalts
nebeneinander an einer Tragstruktur angeordneten Hitzeschilde umfasst,
wobei ein oder jedes Hitzeschild auf einer Tragstruktur angebracht
ist, so dass ein Innenraum gebildet wird. Durch einen Einlasskanal
strömt Kühlmittel in den Innenraum. Für eine
wärmedehnungstolerante und, gegenüber auftretenden
mechanischen Belastungen in einer Brennkammer resistente Befestigung
der Hitzeschilde, liegen die Seitenwände nicht direkt auf
der Tragstruktur auf, sondern sind über ein jeweiliges Dichtung
mit der Tragstruktur verbunden. Das Dichtelement schließt
direkt an die Seitenwand an, d. h. es stellt eine direkte Verlängerung
dieser Seitenwand dar. Die so verlängerte Seitenwand liegt
an der Tragstruktur auf. Das Dichtelement erfüllen dabei
sowohl eine Dichtfunktion für das Kühlmittel als
auch eine mechanische Dämpfungsfunktion für die
Hitzeschildanordnung. Zum Austritt des Kühlmittels aus dem
Innenraum ist ein Kühlmittelauslasskanal vorgesehen, der
in den Spalt einmündet.
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Zusammenfassend
liegt den bekannten Hitzeschilden das Prinzip zugrunde, dass die
Hitzeschildwände bei der Montage der Hitzeschilde direkt an
der Tragstruktur aufliegen. Für die Kühlung der Hitzeschilde
sind Kühlöffnungen vorhanden, die vom Hitzeschildinnenraum
in die Brennkammer führen. Um den Spalt benachbarter Hitzeschildanordnungen gegen
Heißgas abzudich ten, wird das Kühlmittel vollständig
oder teilweise durch die Kühlöffnungen in diesen
Spalt geleitet.
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Grundlegend
gemeinsam ist den beschriebenen Hitzeschildanordnungen, dass Verdichterluft als
Kühlmedium für die Brennkammer und deren Auskleidung
benutzt wird. Das Kühlmittel tritt in die Brennkammer ein,
ohne an der Verbrennung teilgenommen zu haben. Es ist bekannt, dass
sich der Kühlmittelverbrauch hinsichtlich des Wirkungsgrads negativ
auswirkt und höhere Emissionswerte durch die erforderliche
höhere Einstellung der Flammentemperatur erzeugt. Den Hitzeschildanordnungen liegt
damit das Ziel zugrunde, den Kühlmittelverbrauch möglichst
gering zu halten.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine hinsichtlich der Kühleffizienz
verbesserte Hitzeschildanordnung anzugeben, die sich durch eine
Steigerung des Wirkungsgrades auszeichnet. Die Hitzeschildanordnung
soll in einer Brennkammer für Gasturbinen einsetzbar sein.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Angabe einer Hitzeschildanordnung, bestehend aus einer Tragstruktur
und einem daran befestigten Hitzeschild mit einer auf der Tragstruktur
anliegenden, umlaufenden Seitenwand wobei die Seitenwand zumindest
bereichsweise eine Nut aufweist sowie einer der Tragstruktur zugewandten
Innenraum sowie durch Nut und Seitenwand definierte Nutkanten wobei
die Nut eine Dichtung mit mindestens zwei gegenüberliegenden
Kanten umfasst, wobei die Dichtung derart in der Nut verspannt wird,
dass die mindestens zwei gegenüberliegende Kanten bei Montage
des Hitzeschildes auf der Tragstruktur in die Nutkanten gebogen
werden, so dass ein Abrollen der Dichtung auf der Tragstruktur gewährleistet
ist, wodurch eine Dichtfunktion auch bei Betrieb gewährleistet
ist.
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Die
Erfindung geht von der Beobachtung aus, dass bei den für
die Verbrennung erforderlichen hohen Temperaturen bei den oben diskutierten
Hitzeschilden thermisch-induzierte Verwöl bungen auftreten,
dergestalt, dass die Ecken der Hitzeschilde an die Tragstruktur
gepresst werden. Die Heißseitenmitte der Hitzeschilde wölbt
sich auf. Die an der Tragstruktur aufliegenden einzelnen Seiten
der Hitzeschilde, welche die Seitenwand bilden, wölben sich
ebenfalls von der Tragstruktur weg und zwar dergestalt, dass die
Seitenmitte von der Tragstruktur nun durch einen thermisch-induzierten
Spalt beabstandet ist. Die im kalten Zustand dicht an der Tragstruktur aufliegenden
Seiten der Hitzeschilde weisen nun einen Spalt auf. Dieser kann
bei einer typischen Kantenlänge von 200 mm typischerweise
bis zu 2,0 mm betragen. Durch diesen thermisch-induzierten Spalt entsteht
jedoch ein unkontrollierter, vermehrter Kühlmittelaustritt,
was dazu führt, dass bei mehreren benachbart zueinander
angeordneten Hitzeschilden der Spalt zwischen diesen Hitzeschilden
gegen Eintritt von Heißgas in diese Spalte nicht ausreichend
thermisch gesperrt wird. Dies führt daher zu einem deutlich
vermehrten Kühlmittelverbrauch als für die Kühlaufgabe
und die Sperraufgabe des Spalts eigentlich erforderlich wäre.
Ein erhöhter Kühlmittelverbrauch führt
aber zu einem niedrigeren Wirkungsgrad. Bislang wurde, wollte man
diesen Wirkungsgradverlust kompensieren, üblicherweise
die Flammentemperatur und damit die Heißgas-Temperatur erhöht
wodurch nachteiligerweise erhöhte NOx-Emissionen in Kauf
genommen werden.
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Ausgehend
von dieser Erkenntnis werden mit der erfindungsgemäßen
Hitzeschildanordnung unerwünschte Kühlmittelverluste
und infolgedessen unerwünschte Wirkungsgradverluste vermieden. Dazu
wird eine Dichtung in der Nut angebracht. Die Dichtung wird verspannt,
so dass die beiden Kanten von der Tragseite wegzeigen. Bei Montage
der Hitzeschilde über der Dichtung werden diese Kanten
in die Nutkanten gedrückt, das heißt zur Seitenwand
des Hitzeschildes gebogen. Die Dichtfunktion wird sozusagen durch
das verspannen der Dichtung in den Nutkanten gewährleistet,
da die Nutkanten die Dichtung in ihrer gewünschten Position
halten. Durch die Form der so verspannten Dichtung wird diese auf
der gesamten Tragstruktur abgerollt. Durch das Abrollen wird die
Dichtung optimal auf die Tragstruktur gepresst, das heißt
auf der gesamten Länge der Seitenwände an welche
die Tragstruktur anliegend. Der thermisch-induzierten Spalt wird
optimal geschlossen. Die Vorspannung wirkt einer thermischen Verwölbung
entgegen, wie dies bei einem auftretenden Temperaturgradient mit
einer nicht vorgespannten Dichtung bewirkt wäre. Das Hitzeschild
wölbt sich im Betriebszustand. In diesem Zustand bleiben
haben im Wesentlichen nur noch die vier Hitzeschildecken Kontakt
zur Tragstruktur. Dies bewirkt, dass die Dichtung im kritischen
Betriebszustand sozusagen in den Nutkanten niedergehalten wird,
sprich in ihrer vorab gewünschten Position verbleibt. Dies
gewährleistet also den korrekten Sitz der Dichtung in allen
Betriebszuständen, die Funktion der Dichtung bleibt somit
jeweils sichergestellt. Somit kann die Dichtung ihre Funktion optimal
erfüllen, da sie immer in der gewünschten Position
bleibt.
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Das
Kühlmittel ist dabei im Wesentlichen gewöhnlich
als Kühlluft geben, die ganz oder teilweise dem Verdichter
entnommen wird, welcher der Brennkammer nachgeordnet ist. Durch
die Einsparung von Kühlmittel steht der Verbrennung mehr
Verdichterluft zur Verfügung was sich hinsichtlich des
Durchsatzvolumens positiv auswirkt. Eine Überdosierung
des Kühlmittels führt daher zu einem geringeren
Wirkungsgrad. Eine überhöhte Kühlmittelmenge
führt weiterhin zu ungünstigen Temperaturen in
der Brennkammer. Dies wird mit einer erhöhten Flammeneinstellung
kompensiert was zu erhöhten NOx-Schadstoffemissionen führt.
Durch die Erfindung wird die bisherige Überdosierung von
Kühlmittel zum Kühlen der Hitzeschildanordnungen
und Sperren des Spalts zwischen benachbarten Hitzeschildanordnungen nunmehr
vermieden.
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Bevorzugt
ist die Dichtung vollständig in der Nut eingebettet. Somit
wird die Dichtung besonders verruschtsicher verspannt.
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In
bevorzugter Ausgestaltung ist die Dichtung ein elastischer Biegestreifen.
Dieser kann besonders gut gespannt und in die Nut eingebracht werden
und ist leicht herzustellen. Alternativ kann der Streifen auch schlauchförmig
sein.
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Bevorzugt
ist die Dichtung aus Metall oder Metalllegierung. Diese ist besonders
hitze- und temperaturbeständig.
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In
bevorzugter Ausgestaltung ist die Nut umlaufend über die
gesamte Seitenwand angeordnet. Alternativ ist die Nut bereichsweise über
die gesamte Seitenwand angeordnet. Dieses kann je nach Art des Hitzeschildes
und nach Herstellungsfaktoren zu entscheiden sein.
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Bevorzugt
weist die Dichtung durch das Verspannen einen Biegeradius auf.
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Im
Folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand einer Zeichnung
näher erläutert.
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Darin
zeigt in vereinfachter und nicht maßstäblicher
Darstellung:
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1 Seitenansicht
einer Hitzeschildanordnung,
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2 Querschnitt
einer Hitzeschildanordnung gemäß mit der Nut ohne
Dichtung
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3 Draufsicht
eines aufgeschnittenen Hitzeschilds mit Nut
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3a schematische
Seitenansicht einer aufgeschnittenen Hitzeschildanordnung mit Dichtung (planar)
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3b schematische
Seitenansicht einer aufgeschnittenen Hitzeschildanordnung mit Dichtung (konkav)
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3c schematische
Seitenansicht einer aufgeschnittenen Hitzeschildanordnung mit Dichtung (konvex)
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4 schematische
Zeichnung der wirkenden Kräfte auf den Hitzeschild und
die Dichtung im Betrieb
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Gleiche
Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Eine
Gasturbine weist einen vorgeschalteten Verdichter für Verbrennungsluft,
eine zwischengeschalteten Brennkammer sowie eine Turbine zum Antrieb
des Verdichters und eines nicht näher dargestellten Generators
oder einer Arbeitsmaschine auf.
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Über
Beschaufelung einer oder mehrerer Verdichterstufen wird zumeist
Luft komprimiert, diese wird anschließend in der Brennkammer
mit einem gasförmigen oder/und flüssigen Treibstoff
gemischt, zündet und verbrannt. Außerdem kann
die Luft oder ein anderes Kühlmittel zur Kühlung
eingesetzt. So entsteht ein Heißgas welches im nachfolgenden
Turbinenteil entspannt wird, wobei sich thermische in mechanische
Energie umwandelt. Die Brennkammer umfasst dabei eine Tragstruktur
auf denen Hitzeschildanordnungen befestigt sind.
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In 1 ist
ein Beispiel einer Hitzeschildanordnung 1 bei thermischer
Verformung nach dem Stand der Technik dargestellt. Die Hitzeschildanordnung 1 weist
eine Tragstruktur 2 und ein Hitzeschild 3 mit
einer Heißseite 5 auf. Eine Seitenwand 4 ist
gegenüber der Heißseite 5 geneigt. Die
Hitzeschildanordnung 1 bildet einen Innenraum 10 aus,
der von seitens der Tragstruktur 2 durch die Zufuhrkanäle 15 mit
Kühlmittel 14 vorzugsweise Kühlluft,
die einem Verdichter entnommen wird, versorgt wird. Bei hohen thermischen
Belastungen, wie sie insbesondere in Brennkammern für Gasturbine
entstehen, tritt an der Heißseite 5 und an den
jeweiligen Seiten 4 eine thermisch induzierte Wölbung 12 auf.
Bei dem Hitzeschild 3 tritt infolgedessen zwischen der
Tragstruktur 2 und der Seitenwand 4 ein thermisch-induzierter Spalt 13 auf.
Durch diesen entweicht Kühlmittel 14 ungehindert
in die Brennkammer.
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2 zeigt
eine Hitzeschildanordnung 1 auf einer Tragstruktur 2 mit
Nut 7 und Nutkanten. Die Nut 7 kann dabei umlaufend
in der Seitenwand 4 oder bereichsweise angeordnet sein.
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3 zeigt
eine Draufsicht eines aufgeschnittenen Hitzeschilds mit Nut 7.
Hier ist die Nut 7 bereichsweise angeordnet. Die Nutkanten 16 werden durch
Nut 7 und die Seitenwand 4 definiert. Bei einer thermischen
Belastung verbleiben die Hitzeschildecken 22 an der Tragstruktur 2,
während sich die Mitten der Seitenwände 4 so
wölben, dass sie einen Spalt 13 freigeben durch
den Kühlmittel 14 entweichen kann.
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3a zeigt
eine schematische Seitenansicht einer aufgeschnittenen Hitzeschildanordnung mit
Dichtung 6 (planare Tragstruktur). Hier ist eine Nut 7 mit
den Nutkanten 16 vorhanden. Die Dichtung weist Kanten 8 (Enden)
auf. Die Dichtung 6 mit den Kanten 8 wird in der
Nut 16 eingebracht. Um die Dichtung 6 jeweils
in der Mitte der Seitenwände 4 anzubringen wird,
die Dichtung 6 derart geformt, dass die Kanten 8 der
Dichtung 6 in den Nutkanten 16 nach oben steht.
Wird nun der Hitzeschild 3 über der Dichtung 6 montiert,
werden die Kanten 8 in die Nutkanten 16 gedrückt,
das heißt zur Seitenwand 4 gebogen. Somit ist
die Dichtung 6 in der Nut 7 verspannt. Durch das
Verspannen weist die Dichtung 6 einen Biegeradius 20 auf.
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Um
eine derartige Verspannung zu bewerkstelligen, ist bei planaren
(3a) oder konvexen (3b) abzudichtenden
Flächen der Biegeradius 20 der Dichtung 6 kleiner
ist als der Radius der Dichtfläche. Bei konkaven (3c)
abzudichtenden Flächen ist der Biegeradius 20 der
Dichtung 6 größer als der Radius der
Dichtfläche. Daher wird durch die Form der Dichtung 6 diese
auf der Tragstruktur 2 abgerollt. Durch das Abrollen wird
die Dichtung 6 in der gesamten Länge der Nut 7 auf
die Tragstruktur 2 gepresst.
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Bei
Betrieb wölbt sich der Hitzeschild 3. In diesem
Zustand hat es im Wesentlichen nur noch an den Hitzeschildecken 22 Kontakt
mit der Tragstruktur 2.
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Bei
einer derart verspannten Dichtung ist der thermisch induzierte Spalt 14 optimal
verschlossen. Durch die Vorspannung wird die Dichtung 6 sich
bei Betrieb, d. h. bei Beaufschlagung mit Temperatur nicht verwölben,
wie dies beispielsweise mit einem nicht verspannten Bauteil geschehen
würde. Da der Hitzeschild 3 in jedem Betriebszustand
an den Hitzeschildecken 22 Kontakt zur Tragstruktur 2 aufweist, gewährleistet
dies einen korrekten Sitz in jedem der Betriebszustände.
Somit verbleibt die Dichtung 6 also immer in ihrer vorgegebenen,
gewünschten Position und kann daher ihre Dichtfunktion
optimal erfüllen.
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Eine
Dichtung 6 kann beispielsweise aus einem dünnen
gebogenen Metallstreifen oder einem dünnen gebogenen Metallschlauch
bestehen.
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4 zeigt
eine schematische Zeichnung der wirkenden Kräfte auf den
Hitzeschild 1 und die Dichtung 6 im Betrieb. Die
Kraft F wirkt auf die Hitzeschildecken 22 und presst diese
auf die Tragstruktur 2. Die Dichtung 6 wird auf
der Tragstruktur 2 abgerollt. Die Vorspannung bewirkt eine
feste, gewünschte Position der Dichtung 6 unter
allen Betriebsbedingungen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6470685
B2 [0003]
- - GB 2298266 A [0004]
- - EP 1507116 A1 [0005]