-
Die Erfindung betrifft eine Hitzeschildkachel zur Verwendung in einer Brennkammer insbesondere einer Gasturbine, wobei die Hitzeschildkachel in einer Querrichtung durch die Befestigungsmittel fixiert ist und in einer Längsrichtung durch ein Fixierelement gesichert werden kann.
-
Aus dem Stand der Technik sind Hitzeschildkachel hinlänglich bekannt. Dabei gibt es sowohl Lösungen, bei denen die Hitzeschildkachel auf einem Träger mit Schrauben befestigt ist und somit in der Ebene der Hitzeschildkachel im Wesentlichen fixiert ist. Beispiele hierzu sind aus der
EP 1884317 B1 ,
EP 2992270 B1 und
WO 2018137803 A1 bekannt. Demgegenüber werden ebenso Ausführungen von Hitzeschildkacheln eingesetzt, welche mittels elastischer Steinhalter befestigt werden. Dabei ist es üblich, dass die Steinhalter an zwei gegenüberliegenden Seitenrändern angeordnet sind und somit eine Bewegung in Querrichtung im Wesentlichen verhindern. Ausführungen hierzu sind beispielsweise aus der
EP 1701095 B1 bekannt.
-
In üblicher Anwendung der Hitzeschildkacheln werden diese in der Brennkammer umlaufend in mehreren Reihen auf einer Tragstruktur befestigt. Zur Vermeidung von Kontakt von benachbarten Hitzeschildkacheln ist in aller Regel ein geringfügiger Spalt zwischen den jeweiligen Hitzeschildkacheln vorhanden.
-
Als problematisch ist es bekannt, wenn sich einzelne Hitzeschildkacheln insbesondere aufgrund im Betrieb auftretender Vibrationen verschieben und somit das Spaltmaß zwischen einigen Hitzeschildkacheln kleiner und zwischen andern Hitzeschildkacheln größer wird, wenngleich dieses Problem in der Regel nicht auftritt. Bei den geklammerten Hitzeschildkacheln wird in aller Regel eine Verschiebung in einer Querrichtung entlang der Reihe durch die Steinhalter verhindert.
-
Die Verschiebung der Hitzeschildkacheln in der Längsrichtung, d. h. von Reihe zu Reihe, ist gleichfalls unerwünscht, da eine Ungleichverteilung von Spalten in besonderem Maße zu einem erhöhten Luftverbrauch für die Sperrung der Spalte gegen das Eindringen von heißem Abgas führt. Auch ist eine Verschiebung beim Einsatz von besonders geformten Hitzeschildkacheln (siehe zum Beispiel die Ausführung aus der
EP 3017253 B1 ) von Nachteil.
-
Dazu ist aus dem Stand der Technik aus der
EP 3134680 B1 eine Brennkammer mit entsprechenden Hitzeschildkacheln bekannt, bei der auf der zur Tragstruktur weisenden Seite an der Hitzeschildkachel Kufen-artige Erhebungen angeordnet sind, welche in Befestigungsnuten der Tragstruktur eingreifen und somit eine Verschiebung in Längsrichtung verhindern.
-
Wenngleich sich die bisherigen Ausführungen zur Fixierung in Längsrichtung bewährt haben, so besteht die Forderung, unter anderem die Herstellung der Hitzeschildkachel zu vereinfachen und hierbei die für die Lagerhaltung und den Transport relevanten Abmessungen durch eine diesbezüglich vorteilhafte Geometrie zu verkleinern.
-
Die gestellte Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Hitzeschildkachel nach der Lehre des Anspruchs 1 gelöst. Eine erfindungsgemäße Brennkammer mit entsprechenden Hitzeschildkacheln ist im Anspruch 8 angegeben.
-
Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Die gattungsgemäße Hitzeschildkachel dient zunächst mal zur Verwendung in einer Brennkammer. Um welche Art von Brennkammer es sich hierbei handelt ist zunächst unerheblich. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung jedoch bei einer Brennkammer einer Gasturbine. Die Hitzeschildkachel besteht hierbei aus einem keramischen Material. Diese weist eine bei der Verwendung in der Brennkammer zum Brennraum weisende Heißseite und eine gegenüberliegende, zu einer Tragstruktur der Brennkammer weisende Kaltseite auf. Die Hitzeschildkachel erstreckt sich hierbei in einer Längsrichtung sowie senkrecht hierzu in einer Querrichtung. Dabei ist die Heißseite mit der Kaltseite über zwei entlang der Längsrichtung verlaufende Längsränder sowie über zwei entlang der Querrichtung verlaufende Querränder miteinander verbunden. Dabei weist jeder Längsrand zumindest eine Befestigungsaufnahme auf, an der beim Einbau der Hitzeschildkachel in die Brennkammer ein Befestigungsmittel zur Befestigung der Hitzeschildkachel angebracht werden kann. Die Gestaltung von Längsrand und Querrand ist hierbei ansonsten zunächst unerheblich.
-
Zur Ermöglichung der Fixierung der Hitzeschildkachel in Längsrichtung bei Reduktion des Bauvolumens ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Hitzeschildkachel auf der Kaltseite zumindest eine Fixierausnehmung aufweist.
-
Durch das Einbringen der Fixierausnehmung in die Hitzeschildkachel wird die Fixierung in Längsrichtung ermöglicht, ohne dass das Bauvolumen größer ist als das einer Hitzeschildkachel ohne die Möglichkeit einer Fixierung in Längsrichtung. Dieses vereinfacht die Herstellung sowie die Lagerhaltung.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Tiefe der Fixierausnehmung in einer Richtung betrachtet von der Kaltseite zur Heißseite zumindest der 0,1-fachen Stärke der Hitzeschildkachel, das heißt dem Abstand von der Kaltseite zur Heißseite, entspricht. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Fixierausnehmung ein Tiefe von zumindest der 0,15-fachen Stärke der Hitzeschildkachel aufweist. Demgegenüber ist es vorteilhaft, wenn die Tiefe der Fixierausnehmung nicht größer ist als die 0,3-fache Stärke der Hitzeschildkachel. Besonders vorteilhaft ist hierbei eine Tiefe von höchstens der 0,15-fachen Stärke der Hitzeschildkachel.
-
Zur Realisierung der Fixierausnehmung stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung, wobei sich in einer ersten vorteilhaften Ausführungsform die Fixierausnehmung in Querrichtung erstreckt und hierbei eine Länge in Querrichtung von zumindest der 0,5-fachen Breite der Hitzeschildkachel in Querrichtung aufweist. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn sich die Fixierausnehmung über die gesamte Breite der Hitzeschildkachel von einem Längsrand zum gegenüberliegenden Längsrand erstreckt.
-
Die durchgehende Fixierausnehmung begünstigt einerseits eine vorteilhafte Herstellung als auch andererseits verschiedene Möglichkeiten zur Fixierung in der Brennkammer mittels der Fixierausnehmung geschaffen werden. Insbesondere ist somit bei geeigneter Gestaltung der Brennkammer bei vorhandener Fixierung in Längsrichtung eine Verschiebung in Querrichtung, beispielsweise zur Montage, möglich.
-
In einer zweiten Ausführungsform ist demgegenüber vorteilhaft vorgesehen, dass zumindest zwei Fixierausnehmungen vorhanden sind, welche in Querrichtung zueinander versetzt sind. Hierbei sollte vorteilhaft die Länge der Fixierausnehmung in Querrichtung zumindest der 0,1-fachen Breite der Hitzeschildkachel entsprechen. Mit der Länge ist diesbezüglich diejenige Strecke der Fixierausnehmung gemeint, welche eine Anlage zur Sicherung der Hitzeschildkachel in Längsrichtung ermöglicht. Hierbei ist es weiterhin vorteilhaft, wenn sich die Fixierausnehmung maximal über die 0,3-fache Breite der Hitzeschildkachel erstreckt.
-
Mit der Verwendung von zumindest zwei Taschen-förmigen Fixierausnehmungen wird die Hitzeschildkachel nicht unnötig geschwächt, sodass sowohl deren Isolationsfunktion weitestgehend gewährleistet ist als auch die Stabilität weitestgehend erhalten bleibt.
-
Aufgrund der in der Regel hören Belastung der Hitzeschildkacheln an deren Ränder aufgrund der zwischen den Hitzeschildkacheln vorhandener Spalte ist es vorteilhaft, wenn die Fixierausnehmung zumindest von den Querrändern beanstandet ist.
-
Dabei ist es in einer vorteilhaften Variante möglich, die Fixierausnehmung ungefähr in Längsrichtung betrachtet in der Mitte der Hitzeschildkachel anzuordnen. Dies wird als gegeben angesehen, sofern sich diese in der Mitte der Hitzeschildkachel befindet oder der Abstand von der Mitte der Fixierausnehmung zur Mitte der Hitzeschildkachel in Längsrichtung maximal der 0,2-fachen Länge der Hitzeschildkachel in Längsrichtung entspricht.
-
In einer zweiten vorteilhaften Variante wird die Fixierausnehmung auf Höhe der bestimmungsgemäß gegenüberliegend angeordneten Befestigungsmitteln angeordnet. Sofern die Hitzeschildkachel eine besondere Formgebung zur Anbringung der Befestigungsmittel aufweist, so ist die Lage in Längsrichtung unmittelbar festgelegt.
-
Dabei ist es weiterhin besonders vorteilhaft, wenn die Hitzeschildkachel an jedem Längsrand zwei in Längsrichtung zueinander beanstandet Befestigungsaufnahmen aufweist. Dabei sind die Befestigungsaufnahmen derart ausgeführt, dass ungefähr mittig zur jeweiligen Befestigungsaufnahme in Längsrichtung die Anbringung des jeweiligen Befestigungsmittels vorgesehen ist. Somit befinden sich in diesem Fall die zumindest eine Fixierausnehmung, besonders vorteilhaft die zwei zueinander beanstandeten Fixierausnehmungen, zwischen zwei gegenüberliegenden Befestigungsaufnahmen.
-
Ansonsten ergibt sich die vorteilhafte Lage der Fixierausnehmung zwischen zwei Befestigungsmittel durch die bestimmungsgemäße Verwendung der Hitzeschildkachel. Insbesondere kann in diesem Fall die Lage der anzubringenden Befestigungsmittel in Längsrichtung auf die Position der Fixierausnehmung festgelegt sein.
-
Mit der neu geschaffenen Hitzeschildkachel wird die Realisierung einer neuartigen erfindungsgemäßen Brennkammer ermöglicht. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn es sich um die Brennkammer einer Gasturbine handelt. Die Brennkammer weist in jedem Fall eine Tragstruktur auf, auf der umlaufend in mehreren Reihen jeweils Hitzeschildelemente angebracht sind.
-
Erfindungsgemäß wird hierbei zumindest eine Reihe von Hitzeschildkachel gemäß vorheriger Beschreibung eingesetzt. Hierzu weist die Tragstruktur zumindest eine in die jeweilige Fixierausnehmung der jeweiligen Hitzeschildkachel eingreifende Fixiererhebung auf.
-
Wie die Fixiererhebung ausgeführt wird, ist hierbei zunächst unerheblich. Dabei kann sowohl vorgesehen sein, dass für jede Fixierausnehmung eine Fixiererhebung vorhanden ist, als es auch ebenso möglich ist, eine Fixiererhebung für zwei oder mehr Fixierausnehmungen vorzusehen.
-
Mit der Realisierung von der zumindest einen Fixiererhebung an der Tragstruktur wird die Verwendung der erfindungsgemäßen Hitzeschildkachel ermöglicht, sodass deren vorteilhafte Herstellung und Lagerung genutzt werden kann.
-
Zur Ermöglichung der Befestigung der Hitzeschildkacheln sowie der weiteren Hitzeschildelemente an der Tragstruktur ist es hierbei vorteilhaft, wenn die Tragstruktur mehrere, in Längsrichtung zueinander beanstandete, in Querrichtung umlaufende Befestigungsnuten aufweist. In diesen Befestigungsnuten können somit notwendige Befestigungsmittel angebracht werden.
-
Zur Realisierung der Fixiererhebung ergeben sich hierdurch zwei besonders vorteilhafte Ausführungsformen. In einer ersten vorteilhaften Gestaltung weist die Tragstruktur für eine umlaufende Reihe an Hitzeschildkacheln eine umlaufende Fixiererhebung auf. Es ist naheliegend, dass sich in diesem Fall die Fixierausnehmung in Querrichtung über die gesamte Breite erstrecken muss. Somit wird unverändert die einfache Montage der Hitzeschildkachel ermöglicht als auch die Herstellung der Tragstruktur nicht unnötig erschwert wird.
-
In einer zweiten vorteilhaften Gestaltung ist demgegenüber vorgesehen, dass die Tragstruktur mehrere in Umfangsrichtung zueinander beanstandete Fixiererhebungen aufweist. Dieses ermöglicht in vorteilhafter Weise den Einsatz von Hitzeschildkachel sowohl mit durchgehender Fixierausnehmung als auch die Verwendung von Hitzeschildkachel mit jeweils einer Fixierausnehmung bzw. mit zwei in Querrichtung zueinander beanstandeten Fixierausnehmungen.
-
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Fixiererhebungen jeweils von montierten Zentrierelementen gebildet werden. Hierdurch vereinfacht sich die Herstellung der Tragstruktur mit in Umfangsrichtung beanstandeten Fixiererhebungen. Insbesondere ermöglicht diese Ausführungsform eine Nachrüstung bei bestehenden Anlagen.
-
Dabei ist es des Weiteren besonders vorteilhaft, wenn die Fixiererhebungen in zumindest einer umlaufenden Befestigungsnut der Tragstruktur befestigt sind. Hierdurch wird eine einfache unkomplizierte Realisierung der erfindungsgemäßen Brennkammer ermöglicht.
-
In den nachfolgenden Figuren werden zwei beispielhafte Ausführungsformen für eine erfindungsgemäße Hitzeschildkachel skizziert. Es zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Hitzeschildkachel mit einer durchgehenden Fixierausnehmung;
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Hitzeschildkachel mit zwei beanstandeten Fixierausnehmungen;
- 3 ein Schnitt durch eine Brennkammer im Bereich der Hitzeschildkachel gemäß 1;
- 4 ein Schnitt durch eine Brennkammer im Bereich der Hitzeschildkachel gemäß 2;
- 5 die Vorderseite der Hitzeschildkachel.
-
In der 1 wird ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Hitzeschildkachel 01 in perspektivischer Ansicht skizziert. Diese 01 ist hierbei von einer Kaltseite 03 aus gezeigt. Zu erkennen ist die flächige Gestalt mit der in dieser Ansicht zu erkennenden Kaltseite 03, wobei sich gegenüberliegend (an der verdeckten Unterseite) die Heißseite 02 befindet. Bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Hitzeschildkachel 01 weist die Kaltseite 03 zu einer Tragstruktur 21 einer Brennkammer wobei die Heißseite 02 zu einem Brennraum weisend angeordnet ist. Die Heißseite 02 ist mit der Kaltseite 03 über zwei Längsränder 04, welche entlang einer Längsrichtung verlaufen, verbunden. Dabei befinden sich an den Längsrändern 04 jeweils gegenüberliegend zwei Befestigungsaufnahmen 06 zur Anbringung eines Befestigungsmittels 25, den sogenannten Steinhaltern. Weiterhin ist die Heißseite 02 mit der Kaltseite 03 über zwei Querränder 05, welche sich entlang einer Querrichtung erstrecken, miteinander verbunden.
-
Eine Verschiebung der Hitzeschildkachel 01 in der Brennkammer wird in der Querrichtung im eingebauten Zustand durch die Befestigungsmittel 25 verhindert.
-
Zur Sicherung gegen eine Verschiebung in Längsrichtung ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass sich an der Kaltseite 03 eine in Richtung der Heißseite 02 erstreckende Fixierausnehmung 07 befindet. In diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Fixierausnehmung 07 über die gesamte Breite der Hitzeschildkachel 01 von einem Längsrand 04 zum gegenüberliegenden Längsrand 04. Weiterhin ist die hierzu vorteilhafte Lage der durchgehenden Fixierausnehmung 07 in der Mitte der Hitzeschildkachel 01 (betrachtet in Längsrichtung) zu erkennen.
-
In der 2 wird ein zweites Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Hitzeschildkachel 11 skizziert. Diese ist analog vorherigem Beispiel perspektivisch dargestellt mit einer Ansicht auf die Kaltseite 03. Analog befindet sich gegenüberliegend die Heißseite 02 (gleichfalls an der Unterseite, nicht sichtbar). Wiederum weist die Hitzeschildkachel 11 zwei gegenüberliegende sich entlang der Längsrichtung erstreckende Längsränder 14 auf sowie zwei entlang einer Querrichtung erstreckende Querränder 05. Im Gegensatz zum vorherigen Beispiel werden hier an den Längsrändern 14 durchgehende Befestigungsaufnahmen 16 eingesetzt. Wenngleich diese 16 die Anbringung von Befestigungsmitteln 25 an verschiedenen Positionen ermöglichen, so ist gleichfalls wie zuvor vorgesehen, dass vier Befestigungsmittel 25 an gleicher Position wie zuvor eingesetzt werden. Dies wird leicht dadurch ersichtlich, dass am Längsrand 14 auf der Kaltseite 03 Aussparung zur Verbesserung der Kühlung der Befestigungsmittel 25 vorhanden sind.
-
Im Gegensatz zum vorherigen Ausführungsbeispiel ist nunmehr vorgesehen, dass an der Kaltseite 032 in Querrichtung zueinander beanstandete Fixierausnehmungen 17 verwendet werden. Diese 17 sind hierbei zwischen zwei bestimmungsgemäß anzubringenden Befestigungsmitteln 25 (bezogen auf denjenigen Teil, welcher in die Befestigungsaufnahmen 16 eingreift) angeordnet.
-
Die Fixierung in Längsrichtung in der Brennkammer zeigt hierzu die 3 mit der abschnittsweisen Darstellung einer Tragstruktur 21 in einem Längsschnitt mit der darauf befestigten Hitzeschildkachel 01. Zu erkennen ist die Hitzeschildkachel 01 mit dem Blick auf einen Längsrand 14, in dem sich die beiden Befestigungsaufnahmen 06 befinden. Entsprechend befinden sich die Querränder 05 in dieser Darstellung am oberen und unteren Ende der Hitzeschildkachel 01. Die zum Brennraum weisende Heißseite 02 befindet sich auf rechter Seite in der Darstellung und die gegenüberliegende Kaltseite 03 auf der zur Tragstruktur 21 weisenden Seite. Weiterhin zu erkennen ist die Fixierausnehmung 07, in die nunmehr eine fixierte Erhebung 23 der Tragstruktur 21 eingreift. Somit wird eine Verschiebung in Längsrichtung verhindert.
-
Weiterhin zu erkennen sind zwei Befestigungsnuten 22, welche 22 in Längsrichtung zueinander beanstandet sind. In diesen 22 sind jeweils Befestigungsmittel 25, die sogenannten Steinhalter, aufgenommen, welche 25 mit dem jeweils anderen Ende in die Befestigungsaufnahmen 06 eingreifen und somit die Hitzeschildkachel 01 an der Tragstruktur 21 fixieren.
-
In der Figure 4 wird in gleicher Darstellungsart wie zuvor die Befestigung der Hitzeschildkachel 11 an der zugehörigen Tragstruktur 31 in einem Längsschnitt skizziert. Zu erkennen ist wiederum die Hitzeschildkachel 11 mit der auf rechter Seite liegenden Heißseite 02 und der gegenüberliegenden Kaltseite 03 sowie den oben und unten liegenden Querrändern 05. Die Tragstruktur 31 ist im Wesentlichen übereinstimmend wie zuvor ausgeführt und weiß gleichfalls die zueinander beanstandeten Befestigungsnuten 22 auf. Jedoch wird hier im Gegensatz zum vorherigen Beispiel auf die integrale Fixiererhebung verzichtet. Vielmehr ist in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Tragstruktur 31 montierte Zentrierelemente 33 aufweist. Diese 33 sind hierbei jeweils in einer Befestigungsnut 22 befestigt. Entsprechend weist die Hitzeschildkachel 11 die zwischen den Befestigungsmittel 25 liegenden Fixierausnehmungen 17 auf, in die 17 das Zentrierelement 33 als Fixiererhebung eingreift.
-
Abschließend wird in der 5 nochmals die Hitzeschildkachel 11 des zweiten Ausführungsbeispiel in perspektivischer Ansicht mit Blick auf die Heißseite 02 skizziert. Gleichfalls zu erkennen sind die Längsränder 14 mit den Befestigungsaufnahmen 16 sowie den Querrändern 05. Entsprechend der Darstellung befindet sich hier die Kaltseite 03 auf der verdeckten Unterseite.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 1884317 B1 [0002]
- EP 2992270 B1 [0002]
- WO 2018137803 A1 [0002]
- EP 1701095 B1 [0002]
- EP 3017253 B1 [0005]
- EP 3134680 B1 [0006]
