DE102020203017A1

DE102020203017A1 - Brennkammer mit keramischem Hitzeschild und Dichtung

Info

Publication number: DE102020203017A1
Application number: DE102020203017.0A
Authority: DE
Inventors: Matthias Gralki; Claus Krusch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2020-03-10
Filing date: 2020-03-10
Publication date: 2021-09-16
Also published as: KR20220149747A; EP4058728A1; WO2021180349A1; US20230130521A1; CN115298485B; CN115298485A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer (01) einer Gasturbine mit einer umlaufenden Tragstruktur (02) und einem darin angeordneten Hitzeschild (11). Die Tragstruktur (02) weist auf der stromabwärtigen Seite eine Querschnittsverkleinerung (03) und auf der stromaufwärtigen Seite ein Anschlagelement (04) auf. Zum Ausgleich unterschiedlicher Dehnungen und Toleranzen ist ein Spalt zwischen dem Hitzeschild (11) und dem Anschlagelement (04) vorhanden. Zur Reduzierung des Kühlluftverbrauchs ist im Anschlagelement (04) eine umlaufende sich zum Hitzeschild öffnende Dichtungsnut (05) mit einem darin (05) angeordnetem Dichtelement (06) vorhanden, welches am Hitzeschild (11) anliegend und den Spalt überdeckt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer einer Gasturbine mit einem keramischen Hitzeschild, bei der ein Spalt mittels einer Dichtung abgedichtet ist.
Im Stand der Technik werden verschiedene Bauarten von Brennkammern bei Gasturbinen eingesetzt. In allen Fällen stellen die hohen Temperaturen in der Brennkammer die primäre Belastung für die Brennkammer dar. Um möglichst hohe Temperaturen in der Brennkammer realisieren zu können, wird üblicherweise ein Hitzeschild in der Brennkammer eingesetzt. Hierzu weist die Brennkammer zunächst eine Tragstruktur auf, welche aus einem metallischen Material hergestellt ist. An der Innenseite der Tragstruktur ist der Hitzeschild angeordnet, wobei dieser in aller Regel aus einem keramischen Material besteht. Eine beispielhafte Ausführungsform hierzu ist aus der WO 2019/115129 A1 bekannt. Der keramische Hitzeschild weist einerseits eine gegenüber der Tragstruktur deutlich höhere Temperaturfestigkeit auf. Anderseits dient der keramische Hitzeschild als Isolierung zwischen der Brennkammer und der Tragstruktur.
Es ist als nachteilig bekannt, dass das keramische Material des Hitzeschildes im Gegensatz zur Tragstruktur eine deutlich größere Empfindlichkeit gegenüber Vibrationen oder sonstigen mechanischen Belastungen aufweist. Daher ist es in aller Regel erforderlich, einen möglichst spannungsfreien Einbau des Hitzeschildes vorzusehen. Dieser führt in aller Regel zu dem Vorhandensein von Spalten sowohl zwischen einzelnen Teilen des Hitzeschildes und insbesondere zwischen dem Hitzeschild und angrenzenden Bauteilen.
Zur Verhinderung einer thermischen Schädigung der Tragstruktur im Bereich von Spalten ist es im Stand der Technik üblich, einen Kühlluftstrom vorzusehen, der das Eindringen von Heißgas in den Spalt verhindert.
Nachteilig hierbei ist wiederum der Kühlluftstrom, welche insofern nicht dem Brenner zur Verbrennung zugeführt werden kann und sich somit der Wirkungsgrad verschlechtert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Möglichkeit zur Reduktion des Kühluftstroms vorzuschlagen.
Die gestellte Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Brennkammer nach der Lehre des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die gattungsgemäße Brennkammer kann für unterschiedliche Verwendungszwecke vorgesehen sein, wobei sich diese Ausführungsform insbesondere bei einer Gasturbine anbietet. Die Brennkammer definiert eine ungefähr mittig angeordnete Brennkammerachse, welche sich von einer stromaufwärtigen Seite zu einer stromabwärtigen Seite erstreckt. Die Brennkammer weist eine die Brennkammerachse umlaufend umgebende Tragstruktur auf. Dabei besteht die Tragstruktur zumindest mehrheitlich aus einem metallischen Material. Abgesehen von Beschichtungen oder Anbauten besteht die Tragstruktur bevorzugt aus einem metallischen Material. Dabei weist die Tragstruktur auf der stromabweisenden Seite eine Querschnittsverkleinerung auf. In welcher Art die Querschnittsverkleinerung ausgeführt ist, ist zunächst unerheblich. Auf der gegenüberliegenden, stromaufwärtigen Seite bildet die Tragstruktur ein Anschlagelement. Gleichfalls ist die Ausführung des Anschlagelements zunächst unerheblich.
Innerhalb der Tragstruktur auf der zu einem Brennraum weisenden Seite befindet sich ein Hitzeschild, welcher - abgesehen von möglichen Befestigungsmitteln und/oder Beschichtungen und/oder inneren Verstärkungen - aus einem keramischen Material besteht. Dabei ist vorgesehen, dass die Lage des Hitzeschildes innerhalb der Tragstruktur entlang der Brennkammerachse auf der stromabwärtigen Seite durch die Querschnittsverkleinerung und auf der stromaufwärtigen Seite durch das Anschlagelement begrenzt ist. Zur Vermeidung einer unzulässigen Einspannung des Hitzeschildes in Richtung der Brennkammerachse zwischen der Querschnittsverkleinerung und dem Anschlagelement ist weiterhin vorgesehen, dass ein Spalt zumindest zwischen dem Hitzeschild und dem Anschlagelement vorhanden ist.
Zur Reduktion des Kühlluftverbrauchs ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass im Anschlagelement eine um die Brennkammerachse umlaufende, sich zum Hitzeschild öffnende Dichtungsnut vorhanden ist. In der Dichtungsnut ist dabei ein Dichtelement angeordnet, welches sich aus dem Anschlagelement heraus erstreckt und hierbei den Spalt abdeckt und am Hitzeschild anliegt.
Durch den Einsatz eines Dichtelements auf der stromaufwärtigen Seite des Hitzeschildes kann der Kühlluftverbrauch reduziert und somit der Wirkungsgrad gesteigert werden.
Die Gestaltung der Brennkammer erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn die Tragstruktur und folglich der Hitzeschild eine rohrförmige (nicht unbedingt kreisrunde) Gestalt aufweisen.
Zur Sicherstellung einer Anlage des Dichtelements am Hitzeschild ist vorteilhaft vorgesehen, dass im Anschlagelement zumindest ein Federelement vorhanden ist, welches im Zusammenbau elastisch vorgespannt ist und hierbei in Richtung der Brennkammerachse auf das Dichtelement wirkt und somit die zuverlässige Anlage des Dichtelements am Hitzeschild gewährleistet wird.
Besonders vorteilhaft ist es hierbei ein Federelement einzusetzen, welches gleichfalls in der Dichtungsnut zwischen dem Nutgrund und dem Dichtelement angeordnet wird. Hierbei kann das Federelement beispielsweise eine wellenförmige Gestalt aufweisen.
Die Querschnittsverkleinerung einerseits zur Abbildung des gewünschten Querschnitts der Brennkammer im stromabwärtigen Bereich sowie andererseits zur Begrenzung einer Verschiebung des Hitzschildes entlang der Brennkammerachse kann auf unterschiedliche Weise abgebildet werden.
Dabei ist in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass die Querschnittsverkleinerung von einem konischen Abschnitt gebildet wird. Die konische Formgebung in diesem Sinne erfordert nicht zwingend eine rotationsförmige Gestalt, sondern ähnliche, im Querschnitt stromabwärts kleiner werdende Formgebungen sind ebenso umfasst. Bei einer beispielsweise rotationsförmigen Gestalt führt dies zu einer Reduktion des Durchmessers in Strömungsrichtung des Heißgases in der Brennkammer. Zumindest ist bei der Ausführungsform vorteilhaft vorgesehen, dass sich der Hitzeschild über einen Abschnitt vom Außenumfang des Hitzeschildes unmittelbar (eine Außenfläche des Hitzeschildes liegt an der Tragstuktur an) oder besonders vorteilhaft mittelbar an der Querschnittsverkleinerung abstützt. Dabei kann vorteilhaft zur Vermeidung von Abrieb sowie zur Gewährleistung einer zentrischen Position des Hitzeschildes innerhalb der Tragstruktur vorgesehen sein, dass zwischen dem Außenumfang des Hitzeschildes und der Tragstruktur zumindest ein Verschleißschutzelement und/oder elastische Spannelemente, beispielsweise Blattfedern, angeordnet sind.
In einer alternativen Ausführungsform ist demgegenüber vorgesehen, dass die Querschnittsverkleinerung einen Absatz umfasst. In diesem Fall ist vorgesehen, dass der Hitzeschild über einen Randabschnitt unmittelbar oder mittelbar am Absatz anliegt. Dabei sind aneinander anliegende Flächen des Absatzes sowie des anliegenden Randabschnitts ungefähr senkrecht zur Brennkammerachse ausgerichtet. Vorteilhaften ist in diesem Fall die definierte Abstützung in Richtung der Brennkammerachse mit dem Nachteil der möglicherweise komplexeren Gestaltung der Tragstruktur und des Hitzeschildes. In diesem Fall ist es unerheblich, ob die Querschnittsverkleinerung weiterhin eine konusförmige Gestalt aufweist.
Der Hitzeschild kann im einfachsten Fall von einem einzigen Hitzeschildelement gebildet sein. In vorteilhafter Weise wird der Hitzeschild in Richtung der Brennkammerachse von zumindest zwei Hitzeschildelementen gebildet. Dabei ist insbesondere vorteilhaft vorgesehen, dass die zumindest zwei aufeinanderfolgende Hitzeschildelemente unmittelbar oder mittelbar aneinander (beispielsweise mit zwischenliegendem Verschleißschutz) anliegen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn bei größerem Durchmesser der Hitzeschild in umlaufende Richtung von zumindest zwei Hitzeschildelementen gebildet wird. Auch hier ist vorteilhaft vorgesehen, dass diese unmittelbar oder mittelbar aneinander anliegen.
Zur Sicherung einer zentrischen Lage des Hitzeschildes in der Tragstruktur ist vorteilhaft vorgesehen, dass zwischen dem Hitzeschild und der Tragstruktur zumindest ein in radialer Richtung wirkendes Spannelement vorhanden ist. Bevorzugt werden hierbei mehrere im Umfang verteilt angeordnete Spannelemente eingesetzt, welche zusammen die zentrische Positionierung des Hitzeschildes bewirken. Hierdurch wird ein Toleranzausgleich sowie ein Ausgleich von thermischen Dehnungen gewährleistet. Als Spannelemente werden vorzugsweise Blattfedern eingesetzt.
In der nachfolgenden Figur wird eine beispielhafte Ausführungsform für eine erfindungsgemäße Brennkammer skizziert.
Die Brennkammer 01 definiert eine Brennkammerachse und umfasst hierbei zunächst einmal eine rotationförmige Tragstruktur 02. Diese 02 weist auf der stromabwärtigen Seite eine Querschnittsverkleinerung 03 mit einer konusförmigen Gestalt auf. Gegenüberliegend auf der stromaufwärts liegenden Seite befindet sich ein Anschlagelement 04 in Form eines Absatzes.
Innerhalb der Tragstruktur 02 wird der Hitzeschild 11 in diesem Beispiel gebildet von drei Hitzeschildelementen 12, 13. Das stromabwärts angeordnete Hitzeschildelement 12 weist gleichfalls wie die Querschnittsverkleinerung 03 eine konische Gestalt auf. In diesem Beispiel liegt das Hitzeschildelement 12 mit dem Außenumfang an der Innenseite der Querschnittsverkleinerung 03 an. Vorteilhafter ist es jedoch, wenn zwischen dem Hitzeschild 11 und der Tragstruktur 02 im Bereich der Querschnittsverkleinerung 03 Spannelemente vorhanden sind. Somit wird eine unmittelbare Anlage des Hitzeschildelements 12 an der Tragstruktur 02 vermieden und zugleich wird die zentrische Lage auch bei geringen Formunterschieden zwischen Hitzeschild 12 und Tragstruktur 02 sichergestellt. In jedem Fall wird somit die Lage des Hitzeschildes 11 in stromabwärtiger Richtung begrenzt. Hierzu benachbart auf stromaufwärts liegender Seite wird der Hitzeschild 11 von zwei in Umfangsrichtung unterteilten Hitzeschildelementen 13 gebildet. Zur Sicherstellung einer zentrischen Lage ist hierbei vorgesehen, dass im Umfang verteilt mehrere in radialer Richtung wirkende Spannelemente 14 zwischen den Hitzeschildelementen 13 und der Tragstruktur 02 angeordnet sind.
Weiterhin ist die Anordnung einer Dichtungsnut 05 mit dem darin angeordneten Dichtelement 06 zu erkennen. Dabei liegt das Dichtelement 06 an den Hitzeschildelementen 13 an und überdeckt dabei einen Spalt zwischen dem Hitzeschild 11 und dem Anschlag 04. Somit wird ein unnötiger Kühlluftverbrauch vermieden. Zur Sicherstellung der Anlage des Dichtelements 06 am Hitzeschild 11 ist weiterhin ein elastisch vorgespanntes Federelement 07 vorgesehen, welches 07 in der Dichtungsnut 05 zwischen dem Nutgrund und dem Dichtelement 06 angeordnet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2019/115129 A1 [0002]

Claims

Brennkammer (01), insbesondere einer Gasturbine, eine Brennkammerachse aufweisend, mit einer umlaufenden Tragstruktur (02), welche (02) auf der stromabwärtigen Seite eine Querschnittsverkleinerung (03) und auf der stromaufwärtigen Seite ein Anschlagelement (04) aufweist, und mit zumindest einem keramischen Hitzeschild (11), welcher (11) auf der zum Brennraum weisenden Seite innerhalb in der Tragstruktur (02) angeordnet ist und deren Lage in Richtung der Brennkammerachse durch die Querschnittsverkleinerung (03) und das Anschlagelement (04) begrenzt ist, wobei ein Spalt zwischen dem Hitzeschild (11) und dem Anschlagelement (04) vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschlagelement (04) eine umlaufende sich zum Hitzeschild öffnende Dichtungsnut (05) und darin (05) ein am Hitzeschild (11) anliegendes den Spalt überdeckendes Dichtelement (06) angeordnet ist.
Brennkammer (01) nach Anspruch 1, wobei die Tragstruktur (02) eine rohrförmige Gestalt aufweist.
Brennkammer (01) nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Anschlagelement (04) ein elastisch vorgespanntes auf das Dichtelement (05) wirkendes Federelement (06) angeordnet ist; wobei insbesondere das Federelement (06) in der Dichtungsnut (05) zwischen dem Nutgrund und dem Dichtelement (06) angeordnet ist.
Brennkammer (01) nach einer der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Querschnittsverkleinerung (03) von einem konischen Abschnitt gebildet wird, an dem (03) sich der Hitzeschild (11) über dessen Außenumfang direkt oder indirekt abstützt.
Brennkammer (01) nach einer der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Hitzeschild (11) in Richtung der Brennkammerachse von zumindest zwei Hitzeschildelementen (12, 13) gebildet wird.
Brennkammer (01) nach einer der Ansprüche 1 bis 5, wobei zumindest ein Hitzeschildelement (12) eine rohrförmige Gestalt aufweist.
Brennkammer (01) nach einer der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Hitzeschild (11) zumindest abschnittswiese entlang der Brennkammerachse in Umfangsrichtung von zumindest zwei Hitzeschildelementen (13) gebildet wird.
Brennkammer (01) nach einer der Ansprüche 1 bis 7, wobei zwischen dem Hitzeschild (11) und der Tragstruktur (02) zumindest ein in radialer Richtung wirkendes Spannelement (14) angeordnet ist.