EP0224817B1 - Hitzeschildanordnung, insbesondere für Strukturteile von Gasturbinenanlagen - Google Patents

Hitzeschildanordnung, insbesondere für Strukturteile von Gasturbinenanlagen Download PDF

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EP0224817B1
EP0224817B1 EP86116167A EP86116167A EP0224817B1 EP 0224817 B1 EP0224817 B1 EP 0224817B1 EP 86116167 A EP86116167 A EP 86116167A EP 86116167 A EP86116167 A EP 86116167A EP 0224817 B1 EP0224817 B1 EP 0224817B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat shield
hat
supporting structure
arrangement according
shield arrangement
Prior art date
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Expired
Application number
EP86116167A
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English (en)
French (fr)
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EP0224817A1 (de
Inventor
Bernard Dr. Becker
Helmut Dipl.-Math. Maghon
Wilhelm Dipl.-Ing. Schulten
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP0224817A1 publication Critical patent/EP0224817A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0224817B1 publication Critical patent/EP0224817B1/de
Expired legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/002—Wall structures

Definitions

  • the present invention relates to a heat shield arrangement for protecting a support structure against a hot fluid according to the preamble of claim 1.
  • a heat shield arrangement is known for example from GB-PS 790 292.
  • heat shield elements arranged next to one another and anchored in a heat-mobile manner are described, which have a hat part and a shaft part in the manner of a mushroom, the hat part being a flat or spatial, polygonal plate body.
  • a disadvantage of this arrangement is that the plate bodies can expand and bend depending on the temperature, as a result of which the cooling fluid spade changes greatly, which in turn impairs the cooling fluid flow. In particular, the gaps are much larger at low temperature than at high temperature.
  • the object of the present invention is to provide an improved heat shield arrangement of the generic type which is suitable for lining complicated-shaped structures, but which has the lowest possible and uniform cooling air consumption in all operating states.
  • this column is only of limited use as a defined throttle point for the cooling fluid flow. It is therefore important to arrange baseboards opposite these columns on the supporting structure, which form a defined distance from the hat parts.
  • These skirting boards can also have defined depressions on their upper side, which lie transversely to the course of the skirting board, which ensure a minimum flow of cooling fluid even when there are heat shield elements. It may even be advantageous to dimension the skirting boards and heat shield elements so that they lie against one another during the initial assembly, and that a gap may not form until commissioning due to the effects of heat.
  • any spatial surfaces of support structures with such heat shield elements.
  • Such surfaces can always be broken down into segments of a suitable size, depending on the specific shape, whether triangles, polygons or segments of a surface of the rotating body are the cheapest solution.
  • the resulting triangles are generally not equilateral and not completely identical to one another, but it is desirable to use triangles that are almost equilateral if possible.
  • a cooling fluid preferably air
  • impingement cooling This effect alone cools the hat parts considerably.
  • the cooling fluid flows to the edges of the hat parts and through the gaps between the hat parts and, thus deflected by the hot fluid flowing past, additionally forms a cooling film on the top of the hat parts.
  • the heat shield arrangement shown schematically in simplified form in FIGS. 1 and 2 is particularly suitable for gas turbine systems, and in particular for the turbine housing, through which the hot gases coming from the combustion chamber flow. So far, it has been difficult to cool such support structures 1 or to protect them by means of heat shield arrangements. Therefore, such tag structures were mostly used without heat shields while accepting the disadvantages.
  • the support structure 1 is now provided with cooling air passages 2, which are distributed uniformly or in accordance with the cooling requirement over the support structure 1.
  • HG is the hot gas side
  • KG is the cold gas side; the latter presses cooling air under pressure through the passages 2, as indicated by arrows.
  • Heat shield elements are anchored to the support structure 1, which have a hat part 3 and a shaft part 5 in the manner of a mushroom.
  • the shaft part consists of an anchor bolt 5, which penetrates the support structure 1 in a through hole 8. It is held by means of an annular shoulder 5.2 on its reinforced head 5.1 to the hot gas side HG of the support structure 1 at a distance a1 and in each case braced against the support structure 1 by a fastening nut 5.3 screwed onto its free end, the fastening nuts being secured against rotation by a welding point (not shown) Cold gas side KG of the support structure 1 are connected.
  • the cooling air flowing through the cooling air passages 2 enters the space 6 between the support structure and the hat part, impacts against the underside 3.1 of the hat part 3 and then flows along this underside 3.1 to the cooling air gaps 4 between the individual hat parts 3.
  • Skirting boards 1.4 in the space 6 below the Cooling air gaps 4 cause defined throttling points and prevent the entry of hot gas into the intermediate space 6.
  • the cooling air emerging from the cooling air gaps 4 is deflected on the hot gas side HG by the gas flow prevailing there and thus forms a cooling air film on the top of the hat parts 3, as a result of which an additional cooling effect occurs.
  • the hat parts 3 of the individual heat shield elements and their anchor bolts 5 are preferably both z. B.
  • the anchor bolts 5 are each welded to the central region 7.
  • the heat shield elements have similar hat parts of the shape of equilateral triangles.
  • an irregularly curved surface must be composed of different polygons, preferably triangles.
  • Such polygons or triangles always have a precisely definable center of gravity, but the anchor bolts do not necessarily have to be fastened exactly in this center of gravity.
  • anchoring outside the center of gravity can be advantageous for reasons of the tendency of individual sections of the polygons to vibrate.
  • the baseboards 1.4 bring about defined throttling points for the cooling gas, which, as explained above, adjust themselves to uniform cross sections.
  • the exact width of the cooling air gaps 4 between the hat parts 3 is therefore not important if they are sufficiently wide. This is also an advantage because these gaps change constantly under different operating conditions.
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through part of the heat shield arrangement
  • FIG. 4 shows a section through FIG. 3 along the line IV-IV
  • FIG. 5 shows a view from above of a heat shield element.
  • the support structure 31 has again rum cooling air holes 32 and firmly anchored heat shield elements with triangular hat parts 33. Between the individual hat parts 33 there are cooling air gaps of width a33. Between the support structure 31 and the underside 33.1 of the hat parts 33 there is an intermediate space 36 of width a31.
  • the hat parts 33 have in their central area a pot-like shape 33.2, 33.3, which has a through hole 33.4 in its underside 33.3.
  • a bolt 35 is passed through this bore 33.4 and a corresponding through bore 38 in the support structure 31, the bolt head 35.1 being in the pot-like configuration 33.2, 33.3, preferably in alignment with the surface of the hat part 33 on the hot gas side HG.
  • the bolt head 35.1 z. B. have a hexagon or a similar attack possibility for a tool for tightening.
  • This bolt is braced against the cold gas side KG of the support structure 31 by means of a nut, the nut 35.2 having claw-shaped brackets 35.3 which are supported against the support structure 31 and are welded to it 35.4.
  • the nut 35.2 itself does not need to touch the support structure 31, so that a suitable pretension can be achieved by the claw-shaped arms 35.3.
  • the through bore 38 in the support structure 31 and the corresponding bore 33.4 are at least in some areas significantly wider than the diameter of the bolt 35, cooling air can flow along the bolt 35 and thus cool the latter and, in particular, its head 35.1.
  • Suitable drainage channels 33.6 must be provided in the pot-like shape 33.2, 33.3.
  • Other solutions for maintaining the pretensioning force of the bolt 35 are also conceivable, such as expansion screws, spring plates and the like.
  • Additional cooling fluid passages for example in the form of bores 33.6, can be provided in the pot-like shape 33.2, 33.3. Additional cooling fluid passages 33.7 can also be provided at points of the heat shield elements 33 which are to be cooled, but should not be aligned with the cooling fluid bores 32. 3 also shows realistic arrangements for skirting boards 31.4, 31.6, 31.7 as throttling points 39 for the cooling gas flow. These baseboards can in the shape of the support structure 31 z. B. taken into account by casting from the beginning or applied later. As shown in the skirting board 31.4, they should have a surface shape 31.5 adapted to the course of the adjacent hat parts 33, but this is not absolutely necessary if only a defined throttle point is formed.
  • skirting boards in the area of the contact points of several heat shield elements can be difficult because of the large accumulations of material.
  • the skirting board which is otherwise also possible, may have special shapes, z. B. as shown with the baseboards 31.6, 31.7, an annular course with a, for example, hemispherical recess 31.8 inside. In this way, defined throttle points 39 remain at a suitable distance a32 without too much material being piled up at one point.
  • FIG. 6 shows an example of the division of a curved surface into suitable triangles.
  • an inner casing of a gas turbine with relatively few triangles can be approximated very well without the individual heat shield elements having to be curved.
  • a better approximation of the shape is possible either through a larger number of polygons, especially triangles, or through the use of curved heat shield elements.
  • a major advantage of using triangles, however, is that three points always define a plane, so that the division of a curved surface into triangles presents the fewest problems in the later manufacture of the heat shield elements.
  • the present invention is particularly suitable for hot gas ducts, combustion chambers and similar parts of gas turbines, but is not restricted to such applications.
  • This heat shield arrangement enables higher temperatures inside a support structure or simplifies its construction and reduces its loads.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hitzeschildanordnung zum Schutz einer Tragstruktur gegenüber einem heißen Fluid gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Hitzeschildanordnung ist beispielsweise aus der GB-PS 790 292 bekannt. In dieser Schrift werden nebeneinander angeordnete und wärmebeweglich an einer Tragstruktur verankerte Hitzeschildelemente beschrieben, welche nach Art eines Pilzes einen Hutteil und einen Schaftteil aufweisen, wobei der Hutteil ein ebener oder räumlicher, polygonaler Plattenkörper ist. Nachteilig bei dieser Anordnung ist es, daß die Plattenkörper sich in Abhängigkeit von der Temperatur ausdehnen und verbiegen können, wodurch sich die Kühifiuidspaite stark verändern, was wiederum den KühlfluiddurchfluB beeinträchtigt. Insbesondere sind die Spalte bei niedriger Temperatur wesentlich größer als bei hoher Temperatur.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Hitzeschildanordnung der gattungsgemäßen Art, welche sich zur Auskleidung von kompliziert geformten Strukturen eignet, dabei aber in allen Betriebszuständen einen möglichst geringen und gleichmäßigen Kühlluftverbrauch hat.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Hitzeschildanordnung durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 14 angegeben. Wie anhand der Zeichnung noch näher erläutert wird, bietet die Erfindung verschiedene Vorteile. Durch den Aufbau eines einzelnen Hitzeschild-Elementes nach Art eines Pilzes können sich deren Hutteile frei in allen Richtungen vom Schaftteil weg ausdehnen, ohne daß es zu erheblichen Wärmespannungen kommt. Gegebenenfalls können sich die Hutteile an ihrer heißeren Oberfläche stärker ausdehnen als an ihrer Unterseite, was zwar zu einer leichten Wölbung der Hutteile führt, jedoch nicht zu Wärmespannungen.
  • Da die Kühlfluidspalte zwischen den Hitzeschild- Elementen in Abhängigkeit von der Temperatur und anderen Parametern unterschiedliche und wechselnde Breiten haben, eignet sich diese Spalte nur begrenzt als definierte Drosselstelle für den Kühlfluidstrom. Es ist daher wichtig, gegenüber diesen Spalten auf der Tragstruktur Sockelleisten anzuordnen, welche einen definierten Abstand zu den Hutteilen bilden. Diese Sockelleisten können an ihrer Oberseite auch definierte, quer zum Verlauf der Sockelleiste liegende Vertiefungen aufweisen, die einen Mindestkühlfluidstrom auch bei aufliegenden Hitzeschild-Elementen sicherstellen. Es kann sogar vorteilhaft sein, die Sockelleisten und Hitzeschild-Elemente so zu bemessen, daß diese bei der Erstmontage aneinanderliegen, und daß sich erst bei Inbetriebnahme, bedingt durch Wärmeeinflüsse, evtl. ein Spalt ausbildet.
  • Weiterhin ist es problemlos möglich, beliebige räumliche Flächen von Tragstrukturen mit solchen Hitzeschild-Elementen zu verkleiden. Solche Flächen können immer in Segmente von geeigneter Größe zerlegt werden, wobei es von der speziellen Form abhängt, ob Dreiecke, Polygone oder Segmente einer Rotationskörperoberfläche die günstigste Lösung sind. Auch ist es grundsätzlich möglich, im Raum gekrümmte Hutteile zu verwenden. Besonders vorteilhaft ist es allerdings, gegebene Strukturflächen nach Möglichkeit durch ebene Dreiecke anzunähern, wobei die Größe der Dreiecke von der gewünschten Genauigkeit der Annäherung abhängt. Die dabei entstehenden Dreiecke sind zwar im allgemeinen nicht gleichseitig und untereinander auch nicht völlig gleich, jedoch ist es wünschenswert, nach Möglichkeit nahezu gleichseitige Dreiecke zu verwenden. An einzelnen Stellen kann dies zu Schwierigkeiten führen, jedoch ist es prinzipiell wünschenswert, Dreiecke mit nicht zu spitzen Winkeln zu verwenden, da sonst die langen Spitzen eine erhöhte Schwingungsneigung aufweisen könnten. Zwar müssen die einzelnen Hitzeschild- Elemente nicht unbedingt genau in ihrem Schwerpunkt verankert werden, jedoch ist dies im allgemeinen die günstigste Lösung. Die Art der Verankerung hängt von den jeweiligen Anforderungen ab, so daß verschieden aufwendige Lösungen in Betracht kommen. Die einfachste Lösung ist die Verankerung mit einem Ankerbolzen, welcher die Tragstruktur in einer Druckgangsbohrung durchdringt und mit wenigstens einer auf sein freies Ende geschraubten Befestigungsmutter gegen die Tragstruktur verspannt ist. Durch geeignete Mittel, beispielsweise einen Distanzring oder eine Ringschulter, wird ein definierter Abstand zwischen Tragstruktur und Hutteil hergestellt. Eine solche Anordnung läßt sich jedoch nur demontieren, wenn die Rückseite der Tragstruktur zugänglich ist, was beispielsweise bei HeiBgaskanälen von Gasturbinen nicht immer möglich ist. Eine andere Befestigungsart besteht, wie anhand der Zeichnung noch näher erläutert wird, darin, die Hitzeschild-Elemente mittels versenkter Ankerbolzen von der Heißgasseite her festzuschrauben, was natürlich entsprechend befestigte Muttern auf der Rückseite der Tragstruktur erfordert.
  • Die entscheidende Wirkung der Hitzeschildanordnung wird durch die Art der Kühlung der Hitzeschild-Elemente erreicht. Ein Kühlfluid, vozugsweise Luft, wird durch eine Vielzahl von Bohrungen in der Tragstruktur gegen die Unterseite der Hutteile geleitet. Diese Luft trifft nahezu senkrecht auf die zu kühlende Fläche auf und strömt an ihr entlang zu den Seiten ab (sogenannte Prallkühlung). Schon dieser Effekt kühlt die Hutteile ganz erheblich. Außerdem strömt das Kühlfluid zu den Rändern der Hutteile und durch die Spalten zwischen den Hutteilen hindurch und bildet so umgelenkt durch das vorbeiströmende heiße Fluid zusätzlich einen Kühlfilm auf der Oberseite der Hutteile.
  • Da die meisten Spalte nicht in Strömungsrichtung verlaufen, kann sich ein sehr gleichmäßiger, effektiver Kühlfilm ausbilden.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in der Zeichnung anhand einzelner Ausführungsbeispiele noch näher erläutert.
  • Es zeigen
    • Figur 1 in schematischer Darstellung eine Ansicht von oben auf eine erfindungsgemäße Hitzeschildanordnung,
    • Figur 2 einen Schnitt durch diese Anordnung, ebenfalls in vereinfachter Darstellung, entlang der Linie 11-11,
    • Figur 3 einen Schnitt durch ein spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung mit versenkten Ankerbolzen,
    • Figur 4 einen schematischen Schnitt entlang der Linie IV-IV durch Fig. 3,
    • Figur 5 eine Ansicht von oben auf ein Hitzeschild-Element gemäß Figur 4 und
    • Figur 6 ein Beispiel für eine in Dreiecke unterteilte Tragstruktur, nämlich einen Teil eines Heißgaskanals einer Gasturbine,
  • Die in Figur 1 und 2 schematisch vereinfacht dargestellte Hitzeschildanordnung ist insbesondere für Gasturbinenanlagen geeignet, und dabei vor allem für die Turbineninnengehäuse, welche von den heißen, von der Brennkammer kommenden Gasen durchströmt werden. Bisher war es schwierig, solche Tragstrukturen 1 zu kühlen bzw. durch Hitzeschildanordnungen zu schützen. Daher wurden solche Tagstrukturen unter Inkaufnahme der Nachteile meist ohne Hitzeschilde verwendet. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist nunmehr die Tragstruktur 1 mit Kühlluftdurchlässen 2 versehen, welche gleichmäßig oder entsprechend dem Kühlbedarf über die Tragstruktur 1 verteilt sind. Zur Veranschaulichung der Anordnung der Kühlluftdurchlässe 2 ist in Figur 1 ein Hitzeschild-Element entfernt, so daß die darunterliegenden Einzelheiten erkennbar sind. Mit HG ist die Heißgasseite, mit KG die Kaltgasseite bezeichnet; von letzterer wird Kühlluft unter Überdruck durch die Durchlässe 2 gedrückt, wie mit Pfeilen angedeutet ist. An der Tragstruktur 1 sind Hitzeschild-Elemente verankert, welche nach Art eines Pilzes einen Hutteil 3 und einen Schaftteil 5 besitzen. Der Schaftteil besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem Ankerbolzen 5, welcher die Tragstruktur 1 in einer Durchgangsbohrung 8 durchdringt. Er ist mittels einer Ringschulter 5.2 an ihrem verstärkten Kopf 5.1 zur Heißgasseite HG der Tragstruktur 1 auf Abstand a1 gehalten und jeweils von einer auf ihr freies Ende aufgeschraubten Befestigungsmutter 5.3 gegen die Tragstruktur 1 verspannt, wobei die Befestigungsmuttern durch einen nicht dargestellten Schweißpunkt noch verdrehsicher mit der Kaltgasseite KG der Tragstruktur 1 verbunden sind. Die durch die Kühlluftdurchlässe 2 strömende Kühlluft gelangt in den Zwischenraum 6 zwischen Tragstruktur und Hutteil, prallt gegen die Unterseite 3.1 des Hutteiles 3 und strömt dann an dieser Unterseite 3.1 entlang zu den Kühlluftspalten 4 zwischen den einzelnen Hutteilen 3. Sockelleisten 1.4 im Zwischenraum 6 unterhalb der Kühlluftspalte 4 bewirken definierte Drosselstellen und verhindern das Eindringen von Heißgas in den Zwischenraum 6. Die aus den Kühlluftspalten 4 austretende Kühlluft wird auf der Heißgasseite HG von der dort herrschenden Gasströmung umgelenkt und bildet so einen Kühlluftfilm auf der Oberseite der Hutteile 3, wodurch ein zusätzlicher Kühleffekt auftritt. Die Hutteile 3 der einzelnen Hitzeschild-Elemente und ihre Ankerbolzen 5 bestehen bevorzugt beide z. B. aus hochwarmfestem Stahl, so daß sie problemlos miteinander verschweißt werden können. Dementsprechend sind die Ankerbolzen 5 jeweils mit dem Zentralbereich verschweißt 7. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist zunächst zur Veranschaulichung des Prinzips der Erfindung vereinfachend angenommen, daß die Hitzeschild-Elemente gleichartige Hutteile von der Form gleichseitiger Dreiecke haben. Im allgemeinen Fall, wie in Fig. 6 dargestellt, muß eine unregelmäßig gekrümmte Oberfläche aus unterschiedlichen Polygonen, vorzugsweise Dreiecken, zusammengesetzt werden. Zwar besitzen solche Polygone bzw. Dreiecke immer einen genau definierbaren Schwerpunkt, jedoch müssen die Ankerbolzen nicht unbedingt genau in diesem Schwerpunkt befestigt sein. Dies wird zwar im allgemeinen von Vorteil sein, jedoch kann aus Gründen der Schwingungsneigung einzelner Abschnitte der Polygone eine Verankerung außerhalb des Schwerpunktes von Vorteil sein.
  • Das Vorhandensein nur eines Verankerungspunktes für jedes Hitzeschild-Element hat jedenfalls den Vorteil, daß Wärmedehnungen der Hitzeschild-Elemente nicht behindert werden und größte Wärmespannungen somit nicht auftreten können.
  • Da auf der Kaltgasseite KG eine Durchschnittstemperatur von beispielsweise etwa 400° C im Betrieb besteht und an der Unterseite 3.1 der Hutteile 3 eine Durchschnittstemperatur von beispielsweise 750° C herrscht, so ergeben sich Differenzdehnungen zwischen der Tragstruktur und den Hitzeschild- Elementen, die aber nicht behindert sind, da sich die Hutteile 3 nach allen Seiten frei ausdehnen können, ebenso wie die Bolzenköpfe 5.1. Die Ankerbolzen 5 werden unter Vorspannung festgeschraubt, so daß auch bei Erwärmung auf Betriebstemperatur ein Lockerwerden nicht zu befürchten ist. Auch die Hutteile selbst, welche an der HeiBgasseite HG eine höhere Temperatur als an ihrer Unterseite 3.1 haben können, sind in ihrer Wärmedehnung nicht behindert. Sie nehmen ggf. eine von der Heißgasseite HG gesehen konvexe Wölbung an, was jedoch ungehindert möglich ist. Die Sockelleisten 1.4 bewirken dabei definierte Drosselstellen für das Kühlgas, welche sich, wie oben erläutert, von selbst auf gleichmäßige Querschnitte einstellen. Auf die genaue Breite der Kühlluftspalte 4 zwischen den Hutteilen 3 kommt es daher nicht an, sofern diese genügend breit sind. Dies ist auch von Vorteil, da diese Spalte sich bei unterschiedlichen Betriebszuständen ständig verändern.
  • In den Fig. 3, 4 und 5 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Das Kühlprinzip bleibt gleich, lediglich die Befestigung der einzelnen Hitzeschild-Elemente ist verändert. Außerdem zeigt dieses Ausführungsbeispiel die Anordnung von Hitzeschild-Elementen auf einer unebenen Tragstruktur. Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch einen Teil der Hitzeschildanordnung, Fig. 4 einen Schnitt durch Fig. 3 entlang der Linie IV-IV und Fig. 5 eine Ansicht von oben auf ein Hitzeschild-Element. Die Tragstruktur 31 weist wiederum Kühlluft bohrungen 32 auf sowie fest verankerte Hitzeschild-Elemente mit dreieckigen Hutteilen 33. Zwischen den einzelnen Hutteilen 33 bestehen Kühlluftspalte der Breite a33. Zwischen der Tragstruktur 31 und der Unterseite 33.1 der Hutteile 33 befindet sich ein Zwischenraum 36 der Breite a31. Die Hutteile 33 weisen in ihrem Zentralbereich eine topfartige Ausformung 33.2, 33.3 auf, welche in ihrer Unterseite 33.3 eine Durchgangsbohrung 33.4 aufweist. Durch diese Bohrung 33.4 sowie eine entsprechende Durchgangsbohrung 38 in der Tragstruktur 31 ist ein Bolzen 35 hindurchgeführt, wobei sich der Bolzenkopf 35.1 in der topfartigen Ausformung 33.2, 33.3 befindet, vorzugsweise fluchtend mit der Oberfläche des Hutteils 33 an der Heißgasseite HG. Dabei kann der Bolzenkopf 35.1 z. B. einen Innensechskant oder eine ähnliche Angriffsmöglichkeft für ein Werkzeug zum Festziehen aufweisen. Dieser Bolzen ist mittels einer Mutter gegen die Kaltgasseite KG der Tragstruktur 31 verspannt, wobei die Mutter 35.2 klauenförmige Ausleger 35.3 aufweist, welche sich gegen die Tragstruktur 31 abstützen und mit dieser verschweißt 35.4 sind. Die Mutter 35.2 selbst braucht dabei die Tragstruktur 31 nicht zu berühren, so daß sich durch die klauenförmigen Arme 35.3 eine geeignete Vorspannung erzielen läßt. Außerdem kann, sofern die Durchgangsbohrung 38 in der Tragstruktur 31 und die entsprechende Bohrung 33.4 zumindest in Teilbereichen deutlich breiter sind als der Durchmesser des Bolzens 35, Kühlluft an dem Bolzen 35 entlangströmen und somit diesen und vor allem dessen Kopf 35.1 kühlen. Geeignete Abflußkanäle 33.6 müssen in der topfartigen Ausformung 33.2, 33.3 vorgesehen werden. Es sind auch andere Lösungen für die Aufrechterhaltung der Vorspannkraft des Bolzens 35 denkbar, wie Dehnschrauben, Federteller u. ä. Zur genauen Positionierung der Hitzeschild-Elemente ist es vorteilhaft, wenn sich die topfartige Ausformung 33.2, 33.3 in einer formschlüssigen Nut 31.3 gegen die Tragstruktur 31 abstützt. Zusätzliche Kühlfluiddurchlässe, z.B. in Form von Bohrungen 33.6, können in der topf artigen Ausformung 33.2, 33.3 vorgesehen werden. Auch an besonders zu kühlenden Stellen der Hitzeschild-Elemente 33 können zusätzliche Kühlfluiddurchlässe 33.7 vorgesehen werden, die jedoch nicht mit den Kühlfluidbohrungen 32 fluchten sollten. Fig. 3 zeigt ferner realistische Anordnungen für Sockelleisten 31.4, 31.6, 31.7 als Drosselstellen 39 für den Kühlgasstrom. Diese Sockelleisten können bei der Formgebung der Tragstruktur 31 z. B. durch Gießen von Anfang an berücksichtigt oder aber später aufgebracht werden. Sie sollten, wie bei der Sockelleiste 31.4 dargestellt, eine dem Verlauf der angrenzenden Hutteile 33 angepaßte Oberflächenform 31.5 aufweisen, was jedoch nicht zwingend nötig ist, sofern nur eine definierte Drosselstelle gebildet wird. Schwierigkeiten kann wegen zu großer Materialansammlungen die Anordnung von Sockelleisten im Bereich der Berührungspunkte mehrerer Hitzeschild-Elemente darstellen. Hier muß die Sockelleiste, was im übrigen auch ansonsten möglich ist, ggf. spezielle Formen aufweisen, z. B. wie anhand der Sockelleisten 31.6, 31.7 dargestellt, einen ringförmigen Verlauf mit einer beispielsweise halbkugelförmigen Aussparung 31.8 im Innem. So bleiben definierte Drosselstellen 39 mit einem geeigneten Abstand a32 bestehen, ohne daß zu viel Material an einer Stelle angehäuft wird.
  • Wie in Fig. 4 angedeutet, kann es günstig sein, in den Sockelleisten 31.7 an der Oberseite 31.8 quer zum Verlauf der Sockelleiste verlaufende Vertiefungen 31.9 vorzusehen, die auch beim Aufliegen der Hitzeschild-Elemente 33 einen Mindeststrom an Kühlfluid gewährleisten. Solche Vertiefungen können auch in die Unterseite der Hutteile 33 eingebracht werden. Schließlich zeigt Fig. 6 ein Beispiel für die Aufteilung einer gekrümmten Fläche in geeignete Dreiecke. So läßt sich beispielsweise ein Innengehäuse einer Gasturbine mit relativ wenigen Dreiecken recht gut annähern, ohne daß die einzelnen Hitzeschild-Elemente gekrümmt sein müßten. Eine bessere Annäherung der Form ist grundsätzlich entweder durch eine größere Zahl von Polygonen, insb. Dreiecken, möglich oder durch Verwendung gekrümmter Hitzeschild-Elemente. Ein wesentlicher Vorteil bei der Verwendung von Dreiecken ist jedoch, daß drei Punkte immer eine Ebene definieren, so daß die Unterteilung einer gekrümmten Fläche in Dreiecke die wenigsten Probleme bei der späteren Fertigung der Hitzeschild-Elemente mit sich bringt.
  • Die Vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für Heißgaskanäle, Brennräume und ähnliche Teile von Gasturbinen, ist jedoch nicht auf solche Anwendungsfälle beschränkt. Diese Hitzeschildanordnung ermöglicht höhere Temperaturen im Innern einer Tragstruktur bzw. vereinfacht deren Aufbau und verringert deren Belastungen.

Claims (14)

1. Hitzeschildanordnung zum Schutz einer Tragstruktur (1; 31) gegenüber einem heißen Fluid, insbesondere zum Schutz einer Heißgaskanalwand bei Gasturbinenanlagen und dergleichen, mit Kühlfluiddurchlässen (2; 32) in der Tragstruktur (1; 31) und mit aus hitzebeständigem Material bestehender Innenauskleidung, welche zusammengesetzt ist aus flächendeckend unter Belassung von Kühlfluidspalten (4; 23) nebeneinander angeordneten und wärmebeweglich an der Tragstruktur (1; 31) verankerten Hitzeschild-Elementen, wobei jedes Hitzeschild-Element nach Art eines Pilzes einen Hutteil (3; 33) und einen Schaftteil (5; 35) aufweist, der Hutteil (3; 33) eine ebener oder räumlicher, polygonaler Plattenkörper mit geraden oder gekrümmten Berandungslinien ist und der Schaftteil (5; 35) den Zentralbereich dieses Plattenkörpers mit der Tragstruktur (1; 31) verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils gegenüber jedem zwischen den Hitzeschildelementen vorhandenem Kühlfluidspalt (4; 34), in dessen Richtung und etwa über dessen ganze Länge verlaufend, eine Sockelleiste (1.4; 31.4, 31.6, 31.7) auf der Tragstruktur (1; 31) angeordnet ist, wobei der Abstand (a32) zwischen Sockelleiste (1.4; 31.4, 31.6, 31.7) und Hutteilen (3; 33) so bemessen ist, daß eine definierte Drosselstelle (39) für den Kühlfluidstrom entsteht.
2. Hitzeschildanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundriß der Hutteile (3; 33) ein Dreieck bildet, vorzugsweise ein Dreieck, in welchem alle Winkel größer als 40°, möglichst größer als 50° sind.
3. Hitzeschildanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hutteile (3; 33) annähemd die Form eines Segmentes der Oberfläche eines Rotationskörpers besitzen.
4. Hitzeschildanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaftteile (5) mit den jeweiligen Hutteilen verwachsene Ankerbolzen sind, welche die Tragstruktur (1) in Durchgangsbohrungen (8) durchdringen und von wenigstens einer auf ihr freies Ende geschraubten Befestigungsmutter (5.3) gegen die Tragstruktur (1) verspannt sind, wobei je eine Ringschulter (5.2) oder ein Distanzring oder dergleichen die Breite (a1) des Zwischenraumes (6) zwischen Hutteilen (3) und der Tragstruktur (1) bestimmt.
5. Hitzeschildanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) Jedes Hutteil (33) weist im Zentralbereich eine topfartige Ausformung (33.2, 33.3) zur Tragstruktur (31) hin auf mit einer Bohrung (33.4) in der Unterseite (33.3).
b) Die topfartige Verformung (33.2, 33.3) stützt sich gegen die Tragstruktur (31) ab, gegebenenfalls geführt in einer formschlüssigen Nut (33.3) oder dergleichen, und bestimmt so den Abstand (a31) zwischen Hutteil (33) und Tragstruktur (31).
c) Eine Schraubverbindung (35), bestehend aus einem Bolzen (35.1), der durch die Bohrung (33.4) in der Unterseite (33.3) der topfartigen Ausformung (33.2, 33.3) und eine Durchgangsbohrung
(38) in der Tragstruktur (31) hindurchgeführt ist, sowie einer sich gegen die Tragstruktur (31) abstützenden Mutter (35.2) oder dergleichen, verspannt das Hutteil (33) an der Tragstruktur (31), wobei der Kopf des Bolzens (35.1) in der topfartigen Ausformung (33.2, 33.3) versenkt ist, vorzugsweise annähernd mit der Hutteiloberfläche fluchtend.
6. Hitzeschildanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mutter (35.2) sich mittels klauenförmiger Arme (35.3) oder eines Kragens an der Tragstruktur (31) abstützt, wobei die Arme (33.3) vorzugsweise mit der Tragstruktur (31) fest verbunden sind, insbesondere angeschweißt.
7. Hitzeschildanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hutteile (3; 33), Ankerbolzen (5; 35) und gegebenenfalls sonstige Teile der Hitzeschildelemente aus hochwarmfesten Werkstoffen, insbesondere Stahl bestehen.
8. Hitzeschildanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragstruktur (1; 31) Bohrungen (2; 32) aufweist, durch welche ein Kühlfluid, insbesondere Luft, in den Zwischenraum (6; 36) einströmen kann, wobei die Bohrungen (2; 32) vorzugsweise senkrecht zur Lage der Hutteile (3; 33) angeordnet sind.
9. Hitzeschildanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseite (31.8) der Sockelleiste (31.7) und/oder die Unterseite der Hutteile (33) so strukturiert (31.9) sind, daß auch beim Aufliegen der Hutteile (33) ein Mindestkühlfluidstrom gewährleistet ist.
10. Hitzeschildanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sockelleisten (1.4; 31.4, 31.6, 31.7) in der Gestatt ihrer Oberseite dem Verlauf der angrenzenden Hutteile (3; 33) angepaßt sind, wobei zur Vermeidung von übermäßigen Materialanhäufungen, z.B. an Eckpunkten mehrerer aneinandergrenzender Hitzeschild-Elemente, Sonderformen, wie z.B. ringförmige Sockelleisten (31.6, 31.7) oder Doppelleisten mit einer Mittelnut an der Oberseite vorgesehen sind.
11. Hitzeschildanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten (33.5) der Hutteile (33) auf der Heißgasseite (HG) abgeschrägt sind.
12. Hitzeschildanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Verankerung (5; 35) zusätzliche Auslaßwege (33.5) für Kühlfluid vorgesehen sind, welche eine Kühlung der Verankerungssteile (5; 35), insb. von deren Kopf (35.1) bewirken.
13. Hitzeschildanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (8; 33.8), (38) zusätzlich Aussparungen (33.5) in ihrer Seitenwand aufweisen, welche einen Kühlfluidstrom entlang der Verankerungsteile (35) ermöglichen.
14. Hitzeschildanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hutteile (33) zusätzliche Kühlfluidauslässe (33.7) aufweisen.
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