EP0419487B1 - Bouclier thermique n'exigeant que peu de fluide de refroidissement - Google Patents

Bouclier thermique n'exigeant que peu de fluide de refroidissement Download PDF

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EP0419487B1
EP0419487B1 EP89903097A EP89903097A EP0419487B1 EP 0419487 B1 EP0419487 B1 EP 0419487B1 EP 89903097 A EP89903097 A EP 89903097A EP 89903097 A EP89903097 A EP 89903097A EP 0419487 B1 EP0419487 B1 EP 0419487B1
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clamp
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Siemens AG
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    • 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
    • F23R3/007—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel constructed mainly of ceramic components
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T403/00—Joints and connections
    • Y10T403/22—Joints and connections with fluid pressure responsive component

Definitions

  • the present invention relates to a heat shield arrangement for a support structure of any shape which carries a hot fluid, according to the preamble of claim 1.
  • a metallic heat shield that is well suited for lining complexly shaped structures is described in EP-A-0 224 817.
  • a disadvantage of the arrangement described can be the need for cooling fluid, which in gas turbine systems, for example, may have to be covered at the expense of the air available for combustion.
  • a ceramic heat shield that needs to be cooled less is described in DE-A-36 25 056.
  • the arrangement is not as well suited for complex shaped structures; furthermore, the metallic fastening elements of the stones are directly exposed to the hot fluid, so that the basic advantage of the low cooling fluid requirement can be limited again.
  • GB-A-2075 659 proposes a heat shield arrangement made of ceramic stones which is intended for lining simple structures and the stones on their sides facing away from the hot fluid have straight strips running over their entire width, to which they are attached to a supporting structure will. On such stones, however, considerable thermal stresses arise under thermal stress, since the thermal expansion of the areas of a stone facing the hot fluid is considerably impeded by the bar, which remains cool.
  • the object of the present invention is to provide a ceramic heat shield arrangement which is suitable for lining complicatedly shaped structures, has no metallic elements exposed to the hot fluid and whose ceramic elements are designed in such a way that the occurrence of mechanical stresses under thermal stress is largely avoided.
  • the hat part which is directly exposed to the hot fluid can expand and deform freely away from the shaft part, without causing significant thermal stresses.
  • the metallic clamp which surrounds the shaft part of the heat shield element and serves to anchor it to the support structure, is shielded from the hot fluid by the hat part, so that its thermal load is significantly lower than that of the ceramic.
  • a fluid that is conveyed through channels in the support structure into the space between it and the heat shield is therefore primarily used not for cooling but for blocking purposes; it should prevent z.
  • B. hot fluid enters the gap through the expansion gaps between the ceramic elements and damages the supporting structure or clamps.
  • An essential component of the clip is a resilient element between the part that surrounds the heat shield and the part that is firmly connected to the supporting structure.
  • the heat shield elements are additionally supported in order to fix the position of the heat shield elements and to determine the height of the space between the support structure and the heat shield arrangement.
  • This support can take place both on the hat parts and on the shaft parts; corresponding supports can advantageously be either fixed to the heat shield elements or fixed to the support structure.
  • the heat shield elements can also be supported with the brackets, in that the shapes of the brackets engage in the indentations of the shaft parts and attach to the hat part or form supports for the hat parts. In this way, particularly simple shapes are created both for the supporting structure and for the heat shield elements, since there is no longer any need to provide any formations serving as supports.
  • each heat shield element in the longitudinal direction of the shaft part has a through hole through the hat and shaft part
  • the z. B. can serve to achieve a fastener with which the clip is attached to the support structure. It makes sense to fix the heat shield element holding bracket with a screw on the support structure, the head of the screw in the extension of the through hat and shaft part through which he z. B. can be achieved with a screwdriver. A simple assembly of the heat shield arrangement from the interior of the structure to be lined is thus possible.
  • the shaft part of each heat shield element has a trapezoidal cross section in at least one plane, possibly with rounded corners, with the wider side of the trapezoid on the hat part opposite end of the shaft part.
  • a shaft part is particularly suitable for the type of fastening according to the invention with a clip which engages around the shaft part.
  • the shaft parts of the heat shield elements are also favorable to give the shaft parts of the heat shield elements at least approximately the shape of rotating bodies. In this way, the heat shield elements can be rotated in their fastenings, which considerably simplifies the alignment of the elements during assembly.
  • a particularly advantageous form of the clip is the shape of a bulbous barrel and / or a convex, double truncated double cone, each with slotted walls. These shapes best ensure the resilient fit of the heat shield element; the area with the largest diameter serves as a resilient element of this clamp.
  • Each clamp may also consist of two or more individual parts, which in turn can be bent together from flat sheet metal parts.
  • each clamp be secured with at least one anti-rotation device, e.g. B. a small screw or dowel.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the heat shield element 1, anchored to a support structure 3 by means of a clip 6. Between the hat parts 1.1 and two heat shield elements 1 there are expansion gaps 2 in order to enable thermal deformations of the hat parts 1.1. The penetration of hot fluid from the hot gas space 5 through expansion gaps 2 and possibly existing bores 1.3 in the heat shield elements 1 into the space 4 between the heat shield and the support structure 3 can be prevented by supplying barrier fluid through the channels 3.3.
  • the clamp 6 is fastened to the supporting structure 3 by means of a screw 7 and secured by an anti-rotation device 8.
  • the screw 7 is shown partially loosened. If necessary, a washer 10 can also be inserted between screw 7 and clamp 6 as an anti-rotation device.
  • Figure 1 shows two exemplary embodiments: the heat shield elements are supported on the hat parts 1.1; the supports 3.1 and 1.1.1 are either connected to the support structure 3 or to a hat part 1.1.
  • FIG. 2 A further design option for the supports is shown in FIG. 2.
  • the supports 6.5 are integrated in the bracket 6 and consist of supporting kinks 6.5.1 which engage in indentations 1.2.3 at the transition from the shaft part to the hat part of the heat shield element 1 and supporting surfaces 6.5.2 on which the hat part rests.
  • Bracket 6 The essential parts of the bracket 6 are, as shown in Figure 2 of a special embodiment shows at least one holding element which surrounds the flank 1.2.2 of the shaft part and is provided by a conical flank 6.4 of the clamp 6, and at least one spring element, shown in FIG. 2 by the kink 6.3.
  • the exact design of that part of the clip that is attached to the heat shield is of minor importance for the invention.
  • the clamp 6, as shown in FIG. 4, is bent from a sheet metal part 9.
  • Figure 3 shows the curved bracket 6, without the heat shield element 1, seen from the hot gas side 5.
  • a widened slot 6.8 serves to accommodate the anti-rotation device 8. If the clip 6 is to be formed before the final assembly of the heat shield element 1, the molded part 9 can be divided, as indicated, for example, by the dividing line 9.1.
  • the clamp 6 is preferably with an Allen screw 7, possibly with the addition of an anti-rotation device 8 (screw, dowel pin or the like), in a depression 3.2 of the support structure 3 or its own mount 3.4 placed on the support structure 3, both with sloping walls 3.2.1 and 3.4.1, respectively.
  • the bottom 3.2.2, 3.4.2 of the countersink 3.2 or version 3.4 should have a slightly larger diameter than the bottom part 6.1 of the bracket 6, in order to ensure that the bracket 6 can be drawn into the bottom 3.2.2, 3.4.2.
  • it In order to be able to reach the screw head 7.1 during the assembly of the heat shield element 1, it has a corresponding bore 1.3.
  • the tensile force with which the heat shield element 1 is held on its supports 1.1.1, 3.1 or 6.5.2 is limited when the tension in the resilient kink 6.3 of the clamp 6 reaches the plasticity limit; the thickness of the clamp-shaped part 9 is therefore to be chosen in accordance with the material properties so that the maximum tensile force remains limited to a size that is safe with regard to the risk of breakage of the ceramic.

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Abstract

Le bouclier thermique utilisé en particulier dans les turbines à gaz est constitué d'éléments céramiques (1) en forme de champignon, comportant un chapeau (1.1) et un pied (1.2) monté sur un support (3) au moyen d'une bride de serrage (6). Les chapeaux (1.1) ont la forme de polygones plans ou courbes à bords rectilignes ou courbes et ils recouvrent totalement le support (3) sauf pour une fente de dilatation (2). Si et seulement s'il faut éviter que du fluide chaud ne s'introduise dans l'espace (4) situé entre le bouclier (1) et le support (3) par les fentes (2) et des perçages éventuels (1.3) agencés dans les éléments (1), on introduit, à travers des conduits (3.3), un fluide supplémentaire dans cet espace (4). La bride (6) est de préférence métallique et comprend un élément élastique de sorte que les forces de tension et de flexion transmises aux éléments du bouclier (1) sont limitées pour éviter l'endommagement des éléments céramiques.

Claims (15)

  1. Dispositif formant bouclier thermique pour une structure véhiculant un fluide chaud, notamment pour un constituant métallique d'une installation de turbine à gaz ou d'une chambre de combustion, formé par des éléments céramiques (1), et dans lequel
    a) les éléments (1) du bouclier thermique sont ancrés, avec un recouvrement de surface, tout en laissant subsister entre eux des fentes de dilatation (2), sur une structure de support (3),
    b) entre les éléments (1) du bouclier thermique et la structure de support (3) existe un espace intermédiaire (4), qui peut être alimenté en un fluide au moyen de canaux (3.3) situés dans la structure de support (3);
    c) caractérisé en ce que chaque élément (1) du bouclier thermique possède, à la manière d'un champignon, une partie formant chapeau (1.1) et une partie formant pied (1.2) et la partie formant chapeau (1.1) est un polygône plan ou cintré ayant des côtés marginaux rectilignes ou courbés;
    d) la partie formant pied (1.2) comporte, sur une extrémité tournée à l'opposé de la partie formant chapeau (1.1), des rebords (1.2.1) qui sont enserrés par une pince (6) sous tension;
    e) la pince (6) est en un matériau résistant à la chaleur et d'une élasticité nettement supérieure à celle du matériau des éléments (1) du bouclier thermique, de préférence en un métal, notamment un alliage résistant à la chaleur, et a une forme produisant un effet élastique;
    f) chaque élément (1) du bouclier thermique est supporté, pour son blocage en position, sur la partie formant chapeau (1.1) et/ou sur la partie formant pied (1.2) sur la structure de support (3).
  2. Dispositif formant bouclier thermique suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que des éléments de support (3.1) pour les éléments (1) du bouclier thermique sont reliés rigidement à la structure de support (3).
  3. Dispositif formant bouclier thermique suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que des éléments de support (1.1.1) pour les éléments (1) du bouclier thermique sont reliés rigidement à ces derniers.
  4. Dispositif formant bouclier thermique suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que des éléments de support (6.5) sont formés par les pinces (6) par le fait que des moulures (6.5.1, 6.5.2) des pinces (6) s'engagent dans des renfoncements (1.2.3) des parties formant pieds (1.2) au niveau des appendices saillants de la partie formant chapeau ou forment des appuis (6.5.2) pour les parties formant chapeaux (1.1).
  5. Dispositif formant bouclier thermique suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les parties formant chapeaux (1.1) et les parties formant pieds (1.2) des éléments (1) du bouclier thermique possèdent des trous traversants (1.3) s'étendant dans la direction longitudinale des parties formant pieds (1.2).
  6. Dispositif formant bouclier thermique suivant la revendication 5, caractérisé par le fait que les pinces (6) qui maintiennent les éléments (1) du bouclier thermique, sont fixées à la structure de support (3) par des vis (7) dont les têtes (7.1) sont situées dans le prolongement des trous (1.3).
  7. Dispositif formant bouclier thermique suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la partie formant pied (1.2) de chaque élément (1) du bouclier thermique possède, au moins dans un plan, une section transversale trapézoïdale, possédant éventuellement des coins arrondis, le côté le plus large du trapèze s'appliquant contre l'extrémité, qui est située à l'opposé de la partie formant chapeau (1.1) de la partie formant pied (1.2).
  8. Dispositif formant bouclier thermique suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les parties formant pieds (1.2) des éléments (1) du bouclier thermique sont au moins approximativement des corps de révolution.
  9. Dispositif formant bouclier thermique suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les pinces (6) sont fixées dans des évidements (3.2) tout en prenant appui contre la structure de support (3).
  10. Dispositif formant bouclier thermique suivant les revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que les pinces (6) sont fixées dans des montures (3.4) tout en s'appuyant contre la structure de support (3).
  11. Dispositif formant bouclier thermique suivant la revendication 9 ou 10, caractérisé par le fait que chaque pince (6) possède approximativement la forme d'un tonneau renflé ou d'un bicône convexe doublement tronqué, possédant respectivement des parois fendues (6.7).
  12. Dispositif formant bouclier thermique suivant la revendication 11, caractérisé par le fait que chaque pince (6) est formée par pliage d'une pièce moulée en tôle plane, en forme d'étoile (9).
  13. Dispositif formant bouclier thermique suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que chaque pince (6) est formée par l'assemblage de deux ou de plusieurs éléments individuels.
  14. Dispositif formant bouclier thermique suivant la revendication 13, caractérisé par le fait que les éléments individuels des pinces (6) sont formés par pliage à partir de pièces moulées en tôles planes (9).
  15. Dispositif formant bouclier thermique suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que chaque pince (6) comporte au moins un dispositif de blocage en rotation (8).
EP89903097A 1988-06-13 1989-03-10 Bouclier thermique n'exigeant que peu de fluide de refroidissement Expired - Lifetime EP0419487B1 (fr)

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DE3820104 1988-06-13
DE3820104 1988-06-13
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EP0419487A1 EP0419487A1 (fr) 1991-04-03
EP0419487B1 true EP0419487B1 (fr) 1994-11-23

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EP (1) EP0419487B1 (fr)
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