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Die Erfindung betrifft ein Hitzeschild mit einer Tragstruktur. Die Erfindung betrifft auch eine Brennkammer mit einem derartigen Hitzeschild und eine Gasturbine.
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In vielen technischen Anwendungen werden Hitzeschilde verwendet, welche Heißgasen von 1000 bis 1600 Grad Celsius widerstehen müssen. Insbesondere Gasturbinen, wie sie in stromerzeugenden 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 muss das Hitzeschild aus einer Vielzahl einzelner, im Allgemeinen keramischer Hitzeschildsteine zusammengesetzt werden, die voneinander mit einem ausreichenden Spalt beabstandet an einer Tragstruktur befestigt sind. Dieser Spalt bietet den Hitzeschildelementen ausreichenden Raum für die thermische Ausdehnung. Da jedoch der Spalt auch einen direkten Kontakt der heißen Verbrennungsgase mit der metallischen Tragstruktur und den Halteelementen ermöglicht, wird als eine Gegenmaßnahme durch die Spalte in Richtung der Brennkammer Kühlluft eingedüst.
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Ein gattungsgemäßes Hitzeschild umfasst somit eine Tragstruktur und eine Anzahl von Hitzeschildsteinen, welche an der Tragstruktur mittels Steinhaltern lösbar befestigt sind, wobei jeder Hitzeschildstein eine der Tragstruktur zugewandte Kaltseite und eine der Kaltseite gegenüberliegende, mit einem heißen Medium beaufschlagbare Heißseite aufweist. Jeder der Steinhalter weist mindestens einen Halteabschnitt zur Befestigung an einem Hitzeschildstein und einen an der Tragstruktur befestigbaren Befestigungsabschnitt auf. Der Befestigungsabschnitt ist an einer in der Tragstruktur verlaufenden Befestigungs-Nut befestigbar. Zum Schutz vor Heißgasen ist mindestens eine Kühlluftbohrung in der Tragstruktur vorgesehen.
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Zur Befestigung der Steinhalter an der Tragstruktur können in der Tragstruktur kreisförmig umlaufende und parallele Befestigungs-Nuten vorgesehen sein. Die Steinhalter werden in diesem Fall mit ihren Befestigungsabschnitten nacheinander in die Befestigungs-Nuten eingeschoben, wobei nachkommende Steinhalter die Position der vorher positionierten Steinhalter versperren. Auf diese Weise kann eine kreisförmig umlaufende Reihe von Hitzeschildsteinen an der Tragstruktur innerhalb einer Brennkammer einer Gasturbine befestigt werden.
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Die
EP 1 701 095 A1 offenbart ein Hitzeschild einer Brennkammer einer Gasturbine mit einer Tragstruktur und einer Anzahl von lösbar an der Tragstruktur angeordneten Hitzeschildsteinen. Zum Schutz der Brennkammerwand sind die Hitzeschildsteine flächendeckend unter Belassung von Dehnungsspalten an der Tragstruktur angeordnet, wobei jeder Hitzeschildstein eine der Tragstruktur zugewandte Kaltseite und eine der Kaltseite gegenüberliegende, mit einem heißen Medium beaufschlagbare Heißseite aufweist. Die Hitzeschildsteine sind mit je zwei metallischen Steinhaltern federnd an der Tragstruktur befestigt. Hierzu umfasst jeder Steinhalter einen Halteabschnitt in Form eines Greifabschnitts und einen Befestigungsabschnitt. In jeden Hitzeschildstein sind an zwei gegenüberliegenden Umfangsseiten Haltenuten oder -taschen eingebracht, so dass zum Halten des Hitzeschildsteins die Greifabschnitte der Steinhalter gegenüberliegend in die Haltenuten eingreifen können. Die derart am Hitzeschildstein gegenüberliegend befestigten Steinhalter sind mit ihrem Befestigungsabschnitt in einer unterhalb des Hitzeschildsteins verlaufenden Befestigungs-Nut in der Tragstruktur geführt. Zum Schutz vor Heißgasen sind die Greifabschnitte der metallischen Steinhalter gekühlt. Hierzu sind in die Steinhalter im Bereich des Halteabschnitts und in die Halteriegel der Hitzeschildsteine Öffnungen eingebracht, welche mit einer in der Tragstruktur angeordneten Kühlluftbohrung fluchten, so dass Kühlluft aus der Kühlluftbohrung strömend in direkter Linie auf eine Kaltseite des Greifabschnittes prallt, wobei zu beachten ist, dass die Kühlluft wenn Sie unter dem (keramischen) Hitzeschild zugeführt wird, dieses nicht direkt prall anströmt um thermische Spannungen zu vermeiden.
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Trotz dieser Kühlung der Greifabschnitte gemäß dem Stand der Technik kann es bei Beaufschlagung des Hitzeschildes mit Heißgas zu Heißgaseinzug im Bereich der Dehnungsspalten zwischen den Hitzeschildsteinen kommen. Das Heißgas kann sich sodann unterhalb des Hitzeschildes ausbreiten und zur Verzunderung der Tragstruktur führen.
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Die
EP 2 711 630 A1 löst dieses Problems mittels einer in die Steinhalternut eingebrachten Madenschraube, die mittig unter dem keramischen Hitzeschildstein sitzt und über seitlich eingebrachte Bohrungen radial Kühlluft unter den Hitzeschildstein düst. Der Nachteil der Kühlluftmadenschrauben besteht darin, dass die Steinhalter mit eingebrachter Made nicht mehr über diese geschoben werden können und Ein- und Ausbau mit großem Aufwand verbunden sind.
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Die
EP 2 711 634 A1 schlägt eine Kühlluftbohrung unter dem Steinhalter vor, kombiniert mit einer Nut in der Tragstruktur, die die Kühlluft unter dem Steinhalter entlang in den Zwischenraum zwischen Tragstruktur und Hitzeschildstein führt. Die Richtung der Ausdüsung wird hierbei durch die Orientierung der eingebrachten Nut bestimmt.
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Diese Lösungen führen zu einer signifikanten Verbesserung. Allerdings ist insbesondere das Einbringen von Nuten sehr aufwändig und teuer.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Hitzeschild mit einer Tragstruktur, eine Brennkammer sowie eine Gasturbine mit einer Brennkammer mit einem derartigen Hitzeschild anzugeben, mit welchen eine Verzunderung der Tragstruktur aufgrund von Heißgaseinzug besonders effektiv vermieden werden kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Hitzeschild der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Kühlluftkanal vom Befestigungsabschnitt eines Steinhalters überdeckt ist und ein Teil des Befestigungsabschnitts an der Stelle der Überdeckung von der Längsrichtung der Befestigungs-Nut weggekrümmt ist, so dass aus dem Kühlluftkanal ausströmende Kühlluft umlenkbar ist.
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Hierdurch wird eine Kühlung unter dem Hitzeschild ohne direkte Anströmung des Hitzeschildes realisiert. Kühlluft bläst direkt die Unterseite des Steinhalters an und wird über die Leitstrukturen gerichtet unter das Hitzeschild geführt. Die Ausströmrichtung kann dabei frei gewählt werden. Damit wird eine Prallkühlung des keramischen Hitzeschildelements vermieden. Ebenso vermieden wird eine Überhitzung der Tragstruktur.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der weggekrümmte Teil eine umgebogene Lasche am Ende des Befestigungsabschnitts des Steinhalters.
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In einer weiteren vorteilhaften alternativen oder ergänzenden Ausführungsform ist der weggekrümmte Teil eine ausgestanzte Lasche im Befestigungsabschnitt.
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Beide Lösungen sind einfach und kostengünstig herzustellen. Ferner ist es nicht zuletzt im Hinblick auf die Kosten und den Herstellungsaufwand vorteilhaft, wenn der Kühlluftkanal im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung der Befestigungsnut in diese mündet.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkammer und eine Gasturbine mit mindestens einer Brennkammer anzugeben, welche eine besonders effektive Kühlung der Tragstruktur eines von der Brennkammer umfassten Hitzeschildes ermöglicht.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem das Hitzeschild gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgebildet ist.
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Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen.
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Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
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1 eine Darstellung einer Gasturbine nach dem Stand der Technik,
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2 einen Ausschnitt eines Hitzeschildes nach dem Stand der Technik mit einem Hitzeschildstein,
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3 einen Steinhalter nach dem Stand der Technik,
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4 eine Seitenansicht auf einen Ausschnitt aus einem Hitzeschild nach dem Stand der Technik mit Steinhalter aus 3,
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5 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt aus einem Hitzeschild nach dem Stand der Technik mit Steinhalter aus 3,
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6 einen Steinhalter nach der Erfindung mit durchgehendem gebogenem Ende,
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7 eine Seitenansicht auf einen Ausschnitt aus einem Hitzeschild nach der Erfindung mit Steinhalter aus 6,
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8 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt aus einem Hitzeschild nach der Erfindung mit Steinhalter aus 6,
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9 einen Steinhalter nach der Erfindung mit einseitig gebogenem Ende,
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10 eine Seitenansicht auf einen Ausschnitt aus einem Hitzeschild nach der Erfindung mit Steinhalter aus 9,
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11 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt aus einem Hitzeschild nach der Erfindung mit Steinhalter aus 9,
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12 einen Steinhalter nach der Erfindung mit ausgestanzten Lasche,
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13 eine Seitenansicht auf einen Ausschnitt aus einem Hitzeschild nach der Erfindung mit Steinhalter aus 12 und
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14 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt aus einem Hitzeschild nach der Erfindung mit Steinhalter aus 12.
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Die 1 zeigt schematisch und beispielhaft eine erfindungsgemäße Gasturbine 3 in einem Längsschnitt. Diese umfasst einen Verdichterabschnitt 17, einen Brennkammerabschnitt 18 und einen Turbinenabschnitt 19. Eine Welle 20 erstreckt sich durch alle Abschnitte der Gasturbine 3. Im Verdichterabschnitt 17 ist die Welle 20 mit Kränzen von Verdichterlaufschaufeln 21 und im Turbinenabschnitt 19 mit Kränzen von Turbinenlaufschaufeln 22 ausgestattet. Zwischen den Laufschaufelkränzen befinden sich im Verdichterabschnitt 17 Kränze von Verdichterleitschaufeln 23 und im Turbinenabschnitt 19 Kränze von Turbinenleitschaufeln 24. Die Leitschaufeln erstrecken sich vom Gehäuse 25 der Gasturbine 3 im Wesentlichen in Radialrichtung zur Welle 20.
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Im Betrieb der Gasturbine 3 wird Luft 26 durch einen Lufteinlass 27 des Verdichterabschnittes 17 eingesaugt und von den Verdichterlaufschaufeln 21 komprimiert. Die komprimierte Luft wird einer im Brennkammerabschnitt 18 angeordneten Brennkammer 2 zugeleitet, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als eine Ringbrennkammer 2 ausgestaltet ist. Eine Anzahl von Hitzeschildsteinen 5 welche an der Tragstruktur 4 lösbar befestigt sind, bildet einen Hitzeschild 1. In die Ringbrennkammer 2 wird auch ein gasförmiger oder flüssiger Brennstoff über wenigstens einen Brenner 28 eingedüst. Das dadurch entstehende Luft-Brennstoff-Gemisch wird gezündet und in der Brennkammer 2 verbrannt. Entlang des Strömungspfades 29 strömen die heißen Verbrennungsabgase von der Brennkammer 2 in den Turbinenabschnitt 19, wo sie expandieren und abkühlen und dabei Impuls auf die Turbinenlaufschaufeln 22 übertragen. Die Turbinenleitschaufeln 24 dienen dabei als Düsen zum Optimieren des Impulsübertrages auf die Laufschaufeln 22. Die durch den Impulsübertrag herbeigeführte Rotation der Welle 20 wird dazu genutzt, einen Verbraucher, beispielsweise einen elektrischen Generator, anzutreiben. Die entspannten und abgekühlten Verbrennungsgase werden schließlich durch einen Auslass 30 aus der Gasturbine 3 abgeleitet.
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Die 2 zeigt einen Ausschnitt eines Hitzeschildes 32 nach dem Stand der Technik mit einer Tragstruktur 4 und einer Anzahl von Hitzeschildsteinen, von denen beispielhaft ein Hitzeschildstein 5 in der Figur dargestellt ist. Der Hitzeschildstein 5 weist eine der Tragstruktur 4 zugewandte Kaltseite 7 und eine der Kaltseite 7 gegenüberliegende, mit einem heißen Medium beaufschlagbare Heißseite 8 auf. Der Hitzeschildstein 5 ist mittels Steinhaltern 31 an der Tragstruktur 4 befestigt. Hierzu sind die Steinhalter 31 einerseits mit ihren Befestigungsabschnitten 10 an der Tragstruktur 4 befestigt und greifen andererseits mit ihren Halteabschnitten 9 in Halte-Nuten 34 an gegenüberliegenden Seitenwänden des Hitzeschildsteins 5 ein. Bei dem auf diese Weise federnd an der Tragstruktur 4 gehaltenen Hitzeschildstein 5 kann es bei Beaufschlagung der Heißseite 8 mit heißen Gasen zu Heißgaseinzug in die Dehnungsspalten zwischen benachbarten Hitzeschildsteinen 5 kommen. Die in der Richtung 35 eindringenden Gase verteilen sich hierbei unter dem Hitzeschildstein 5 im Zwischenraum 36, der sich von der Kaltseite 7 des Hitzeschildsteines 5 zu einem dem Hitzeschildstein 5 zugewandten Oberflächenbereich der Tragstruktur 4 erstreckt. Dadurch kann es zu einer Verzunderung der Tragstruktur 4 unterhalb des Hitzeschildsteines 5 kommen. Zum Schutz vor Heißgasen ist im Stand der Technik ein Gewindestift 37 mit einer Längsachse 38 und einer Bohrung 39 für Kühlluft 13 parallel zur Längsachse 38 vorgesehen. Der Gewindestift 37 umfasst zwei Ausgangskanäle 40, welche seitlich der Längsachse 38 aus dem Gewindestift 37 austreten.
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Die 3 bis 5 zeigen einen weiteren Steinhalter 41 nach dem Stand der Technik, der in einer Befestigungsnut 11 angeordnet ist. Dabei ist mindestens ein Kühlluftkanal 12 unter dem Steinhalter 41 vorgesehen, kombiniert mit mindestens einer im Wesentlichen senkrecht zum Kühlluftkanal 12 und parallel zur Befestigungsnut 11 verlaufenden Nut 33 in der Tragstruktur 4, die die Kühlluft 13 unter dem Steinhalter 41 entlang in den Zwischenraum zwischen Tragstruktur 4 und Hitzeschildstein 5 (nicht gezeigt) führt. Die Richtung der Ausdüsung wird hierbei durch die Orientierung der eingebrachten Nut 33 bestimmt.
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Die 6 bis 14 zeigen drei Ausführungsformen des Hitzeschilds 1 nach der Erfindung mit entsprechendem Steinhalter 6.
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In den 6 bis 8 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der am Ende 15 des Befestigungsabschnitts 10 des Steinhalters 6 über dem Austritt des Kühlluftkanals 12 eine Lasche 14 umgebogen ist, welche die aus dem Kühlluftkanal 12 austretende Kühlluft 13 umlenkt.
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Die 9 bis 11 zeigen eine Ausführungsform mit einseitig hochgestellter Lasche 14 am Ende 15 des Befestigungsabschnitts 10 des Steinhalters 6.
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Schließlich zeigen die 12 bis 14 eine Ausführungsform mit mittig hochgestelltem Steinhalter 6, d.h. bei dem der weggekrümmte Teil eine ausgestanzte Lasche 16 im Befestigungsabschnitt 10 über dem Kühlluftkanal 12 ist.
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Mit den drei genannten Ausführungsbeispielen kann auf aufwändigere und somit teurere Maßnahmen, wie Gewindestifte oder zusätzliche Nuten verzichtet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1701095 A1 [0005]
- EP 2711630 A1 [0007]
- EP 2711634 A1 [0008]
