EP1284390A1 - Hitzeschildanordnung für eine Heissgas führende Komponente, insbesondere für Strukturteile von Gasturbinen - Google Patents

Hitzeschildanordnung für eine Heissgas führende Komponente, insbesondere für Strukturteile von Gasturbinen Download PDF

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EP1284390A1
EP1284390A1 EP01115512A EP01115512A EP1284390A1 EP 1284390 A1 EP1284390 A1 EP 1284390A1 EP 01115512 A EP01115512 A EP 01115512A EP 01115512 A EP01115512 A EP 01115512A EP 1284390 A1 EP1284390 A1 EP 1284390A1
Authority
EP
European Patent Office
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heat shield
shield elements
cooling air
hot gas
elements
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01115512A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans Maghon
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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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Priority to JP2002185535A priority patent/JP2003065539A/ja
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Priority to CNB021495475A priority patent/CN1232761C/zh
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M5/00—Casings; Linings; Walls
    • F23M5/08—Cooling thereof; Tube walls
    • 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
    • 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
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00012—Details of sealing devices

Definitions

  • the invention relates to a heat shield arrangement for a Hot gas component, especially for structural parts of gas turbines such as a hot gas room or a Combustion chamber.
  • the arrangement comprises a plurality of heat shield elements, which are arranged side by side on a supporting structure and are anchored to it.
  • EP 0 224 817 B1 describes a heat shield arrangement, in particular for structural parts of gas turbine systems, described, which consists of a number of triangular heat shield elements is formed. The heat shield elements are next to each other, leaving a gap on one Support structure arranged and screwed to the support structure.
  • the disadvantage here is that the previously described Gap hot gas from the combustion chamber and pass through with the support structure can come into contact, so that the material of the Support structure due to the resulting massive heat can be damaged during operation.
  • DE-U-29714742.0 includes a heat shield component Cooling fluid return and a heat shield assembly for one Hot gas leading component shown.
  • the heat shield component consists of a hollow arrangement with an outer one Shell and a small, hollow insert. Between use and the outer shell has a space that can be flowed through with the cooling fluid. The stake is on bottom openings for the cooling fluid.
  • a closed one Cooling fluid guidance is achieved in that the Cooling fluid through channels in the support structure in use flows from there through openings into the outer shell flows - the cooling takes place by impingement cooling and Convex cooling - and from there through separate outlet channels flows back into the supporting structure.
  • the multi-layer structure of the Heat shield element ensures the closed cooling fluid flow. However, such a multi-layer structure is very consuming.
  • the invention is therefore based on the object of a heat shield arrangement for a structure carrying hot gas, in particular a metallic component of a gas turbine plant or Combustion chamber with side by side on a supporting structure anchored heat shield elements indicate which in particular overcomes the disadvantages described, flexibly usable, easy to manufacture and structurally simple is.
  • Heat shield elements solved being by at least two adjacent heat shield elements between each Support structure and the surface facing away from the hot gas the heat shield elements a cooling air duct is formed in which cooling air is fed in and through which the neighboring ones Communicate heat shield elements.
  • the arrangement according to the invention makes it possible, for example closed air cooling of a combustion chamber to realize by compressor end air in the according to the invention formed cooling air duct is fed.
  • the cooling air duct the cooling air is collected and after cooling fed to the at least one burner so that it Combustion process is available.
  • the at least two adjacent heat shield elements are advantageous connected by at least one sealing element, so that the escape of cooling air from the cooling air duct into the hot gas leading structure and / or the entry of hot gas into the cooling air duct is prevented.
  • Cooling air duct cooling air flowing through at least one Gap out of the cooling air duct and enter the combustion chamber can, so this proportion of air (leakage air flow) for the combustion is lost.
  • this hot gas flow for a later conversion into mechanical and / or electrical Energy is lost and secondly the cooling potential of the Cooling air in the cooling air duct is reduced because of this leakage flows flowing into the cooling air duct from the hot gas space of hot gas is heated. Therefore it is according to the invention provided the at least two adjacent heat shield elements to connect by means of a sealing element.
  • the Seal is preferably flexible so that thermal movement of the Heat shield elements do not damage the sealing element.
  • the heat shield elements essentially designed as plates, in particular as metallic plates, each of which is at least have a web at two opposite edges.
  • Such webs improve the stability of the heat shield elements, by acting like stiffening ribs and on the other hand, they offer a good attachment option for the sealing element. Furthermore, the height of the web of Cross-section of the cooling air duct set or specified by the bars of the adjacent heat shield elements form a side wall of the cooling air duct. You can also the stiffening properties of the webs by the choice of them Geometry, for example the height of the ribs. In this way e.g. the thermal stresses that occur to get a good grip.
  • the neighboring ones Heat shield elements with one web each and the at least one, in particular U-shaped sealing element is in each case a groove of the respective web of the neighboring Heat shield elements insertable.
  • the contiguous Ridges of the adjacent heat shield elements for example to the combustion chamber or preferably to the supporting structure.
  • the webs each have a groove, in particular one Slot in their foot surface so that the sealing element which connects the neighboring heat shield elements to each other, in the grooves of the webs of the adjacent heat shield elements can be introduced.
  • a groove is a particularly light one means to be produced, with the help of which a connection can be established is in the present embodiment between the neighboring heat shield elements.
  • the sealing element is preferably U-shaped, e.g. with acting thermal expansion forces on the two legs of the U-shaped Sealing element is flexible and these thermal expansion forces allows without the sealing element being destroyed.
  • U-shaped sealing element is particularly easy with the neighboring ones
  • Connecting heat shield elements are webs of Heat shield elements particularly suitable, which either for Combustion chamber or preferably to the support structure. That's the way it is particularly easily possible, in particular a U-shaped sealing element with its two legs in a groove of each introduce respective webs of the adjacent heat shield elements, to realize a good sealing effect and one against Thermal expansion forces non-destructive seal produce.
  • thermoelectric shield elements which do not communicate with each other through a cooling air duct, connected by at least one further sealing element.
  • a heat shield element of the further at least two neighboring ones Heat shield elements can be used with a heat shield element the two previously described each Heat shield elements must be identical.
  • the further at least two neighboring ones preferably border Heat shield elements with one web each and the Webs lie on the other, preferably just formed Sealing element, so that an attack of the hot gas on the Support structure is prevented.
  • the webs either point to Combustion chamber or preferably to the support structure.
  • the adjacent webs of the other at least two adjacent heat shield elements each have a side wall Cooling air duct, said side walls to different Cooling air ducts belong.
  • the heat shield elements are usually leaving a gap with the supporting structure anchored. Hot gas can escape from the combustion chamber through this gap step between the heat shield elements and so the supporting structure attack.
  • the gap between two adjacent heat shield elements which have a cooling air duct form, preferably by means of a sealing element, in particular a U-shaped, is sealed to the support structure protect.
  • a sealing element in particular a U-shaped
  • the same problem of possible hot gas attack assures on the support structure also for the others at least two adjacent heat shield elements, which none form a common cooling air duct.
  • the latter heat shield elements preferably adjoin each other with webs, which at the same time - as already mentioned - one side wall each form a cooling air duct and therefore usually one clearly have a larger web height than those webs with which Adjacent adjacent heat shield elements that one Form (common) cooling air duct.
  • the webs of the other neighboring heat shield elements directly on the Support structure would rest, so hot gas from the Combustion chamber in the gap between the other neighboring ones Enter heat shield elements and attack the support structure. Therefore, in the present embodiment, it is the Invention provided that the webs of the further at least two adjacent heat shield elements are not directly on the Support structure, but on the other, preferably just trained Rest sealing element so that an attack of the Hot gas on the support structure is prevented.
  • the further Sealing element can increase its heat resistance be covered with a thermal barrier coating.
  • the further sealing element in turn is usually interchangeable connected to the support structure so that it is in case of repair is removable, and it preferably consists of a High-temperature material.
  • a heat insulation layer is applied to the surfaces of the heat shield elements.
  • This thermal barrier protects the heat shield elements overuse and / or destruction by exposure to heat through the hot gas. Furthermore, she supports the Cooling the heat shield elements by part of the Heat due to its insulating effect away from the heat shield element holds. For example, it is used to cool the heat shield elements necessary throughput of cooling air reduced.
  • the heat shield elements one, preferably centrally arranged, screwing device have, by means of which the heat shield elements can be anchored to the supporting structure.
  • FIG 1 shows a heat shield arrangement 5 according to the invention shown, in which on a support structure 10 area-wide heat shield elements 20 are arranged side by side; in Figure 2 is a cross section through a heat shield element and the supporting structure, which is approximately half of the heat shield elements shares, shown.
  • a larger hot gas space e.g. one Combustion chamber 15
  • several rows of heat shield elements adjoining each other arranged on the support structure 10 this is indicated in FIG 2).
  • the heat shield arrangement 5 can, for example, the combustion chamber 15 lining a gas turbine to prevent damage to the To prevent support structure 10 during operation of the gas turbine.
  • the heat shield elements 20 each on that of the combustion chamber 15 cool the opposite surface by means of cooling air.
  • FIG. 1 there are four heat shield elements as an example 20, which shows a common cooling air duct 30 form; however, there is also a much larger one Number of heat shield elements in question, which also in several rows can be arranged (indicated in FIG 2).
  • the cooling air L which through openings 25 in the cooling air duct 30 is fed in, cools the heat shield elements 20 on the back, for example by means of impingement cooling, the Cooling air L practically perpendicular to that facing away from the hot gas Surface of the heat shield elements 20 hits and thereby thermal Can absorb and dissipate energy. Cooling the Heat shield elements can continue through convection cooling take place, with cooling air L essentially parallel to Surface of the heat shield elements along the back of them strikes and thereby also absorb thermal energy and can lead away.
  • the cooling air moves L as cooling air flow mostly from right to left in the cooling air duct formed jointly by the heat shield elements 20 30 and can be a burner 70, for example located in the combustion chamber 15 are supplied, to be used for combustion.
  • FIG 2 shows in cross-sectional representation a heat shield element a possible configuration of the sealing element 35. It can, for example, in a groove 50 a Web 40 of a heat shield element may be introduced, the Connection to an adjacent heat shield element with which a common cooling air duct is formed on analog Way happens by preferably the other leg of the advantageous U-shaped sealing element 35 in the groove 50 of a Web 40 of an adjacent heat shield element introduced becomes.
  • FIG. 2 also shows a screwing device 60, for example a recess for receiving a screw is shown. It is advantageous for anchoring the heat shield elements 20 with the support structure 10 a fastening element, for example a screw in the screwing device 60 introduced and on the side of the support structure 10 for example attached by means of a nut.
  • a fastening element for example a screw in the screwing device 60 introduced and on the side of the support structure 10 for example attached by means of a nut.
  • 3 and 4 each show an embodiment for the seal between adjacent heat shield elements 20a, 20b and 20c, 20d shown.
  • FIG 3 shows the seal between adjacent heat shield elements 20a, 20b, which according to the invention have a cooling air duct 30 form, over which said heat shield elements e.g. communicate with each other through cooling air L.
  • the heat shield elements 20a, 20b each have at least one two of their opposite edges each have a web 40a on, in each of which a groove 50 is introduced.
  • each of these grooves 50 is a leg of the cross section introduced essentially U-shaped sealing element 35, so that the entry of hot gas from the combustion chamber 15 into the Prevents gap between the heat shield elements 20a, 20b is.
  • An embodiment for a more accurate figurative The configuration of the sealing element 35 can be seen in FIG. 2 become.
  • FIG. 4 shows a further two adjacent heat shield elements 20c, 20d, which do not form a cooling air duct, via which they communicate with each other.
  • the heat shield element 20c forms, for example, at least together with one another, not shown, heat shield element one common cooling air duct 30 and the heat shield element 20b forms with at least one other, not shown Heat shield element a common cooling air duct 30 '.
  • Such contiguous, shown in FIG 4 Heat shield elements that do not have a common cooling air duct form arise, for example, if the in FIG illustrated series of heat shield elements multiplied and "one behind the other" as indicated in FIG. 2 on a support structure is arranged.
  • a sealing element 45 is provided, which is preferably designed as a plate with the Support structure 10 is connected.
  • the heat shield elements 20c, 20d have at least two opposite sides on their surface facing the hot gas, webs 40b which particularly advantageously have a web height that the Web height of the webs 40a shown in FIG 3 exceeds.
  • the Crosspieces 40b form side walls of the cooling air ducts 30, 30 '.
  • the seal is made by the webs 40b rest on the sealing element 40, so that an attack of the hot gas from the combustion chamber 15 onto the support structure 10 is prevented.
  • the sealing element 45 preferably extends over the entire length of the web 40b.
  • the sealing element 45, and the heat shield elements 20 can continue with a Thermal insulation layer 55 may be coated.

Abstract

Bei einer erfindungsgemäßen Hitzeschildanordnung (5), bei welcher flächendeckend nebeneinander auf einer Tragstruktur (10) Hitzeschildelemente (20) angeordnet und mit der Tragstruktur (10) verankert sind, ist es vorgesehen, dass mindestens durch jeweils zwei benachbarte Hitzeschildelemente (20a, 20b) zwischen der Tragstruktur (10) und jeweils der dem Heißgas abgewandten Fläche der Hitzeschildelemente (20a, 20b) ein Kühlluftkanal 30 gebildet ist, in welchen Kühlluft L eingespeist ist und durch welchen die benachbarten Hitzeschildelemente 20a, 20b miteinander kommunizieren. Auf diese Weise ist erreicht, dass die einzelnen Hitzeschildelemente (20) zu durchgehenden Kühlluftkanälen (30, 30') zusammengeschaltet sind, wobei die in die Kühlluftkanäle (30, 30') eingeleitete Kühlluft gesammelt und beispielsweise zu einem Brenner geleitet wird. Vorteilhaft werden die Spalte zwischen den Hitzeschildelementen (20) durch Dichtelemente (35, 45) abgedichtet. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Hitzeschildanordnung für eine Heißgas führende Komponente, insbesondere für Strukturteile von Gasturbinen wie beispielsweise einen Heißgasraum oder eine Brennkammer.
Die Anordnung umfasst eine Mehrzahl von Hitzeschildelementen, die flächendeckend nebeneinander auf einer Tragstruktur angeordnet und mit dieser verankert sind.
Aufgrund der in Heißgasräumen herrschenden hohen Temperaturen besteht die Notwendigkeit, eine Wandstruktur, die heißem Gas ausgesetzt ist, zu schützen. Hierzu ist es beispielsweise möglich, den Heißgasraum mit Hitzeschildelementen auszukleiden, deren dem Heißgas zugewandte Fläche rückseitig gekühlt wird.
In der EP 0 224 817 B1 ist eine Hitzeschildanordnung, insbesondere für Strukturteile von Gasturbinenanlagen, beschrieben, welche aus einer Anzahl von dreiecksförmigen Hitzeschildelementen gebildet ist. Die Hitzeschildelemente sind nebeneinander jeweils unter Belassung eines Spalts auf einer Tragstruktur angeordnet und mit der Tragstruktur verschraubt.
Nachteilig dabei ist, dass durch die vorher beschriebene Spalte Heißgas vom Brennraum hindurchtreten und mit der Tragstruktur in Berührung kommen kann, so dass das Material der Tragstruktur infolge der entstehenden massiven Hitzeeinwirkung während des Betriebs beschädigt werden kann.
In der DE-U-29714742.0 ist eine Hitzeschildkomponente mit Kühlfluidrückführung und eine Hitzeschildanordnung für eine Heißgas führende Komponente dargestellt. Die Hitzeschildkomponente besteht aus einer hohlen Anordnung mit einer äußeren Schale und einem kleinen, hohlen Einsatz. Zwischen dem Einsatz und der äußeren Schale liegt ein Zwischenraum vor, der mit dem Kühlfluid durchströmbar ist. Der Einsatz besitzt auf der Bodenseite Durchlassöffnungen für das Kühlfluid. Eine geschlossene Kühlfluidführung wird dadurch erreicht, dass das Kühlfluid durch Kanäle in der Tragstruktur in den Einsatz strömt, von dort durch Durchlassöffnungen in die äußere Schale strömt - die Kühlung erfolgt dabei durch Prallkühlung und Konvexionkühlung - und von dort durch separate Auslasskanäle in der Tragstruktur zurückströmt. Der mehrschalige Aufbau des Hitzeschildelements gewährleistet die geschlossene Kühlfluidführung. Ein derartiger mehrschaliger Aufbau ist jedoch sehr aufwendig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Hitzeschildanordnung für eine Heißgas führende Struktur, insbesondere ein metallisches Bauteil einer Gasturbinenanlage oder Brennkammer, mit flächendeckend nebeneinander auf einer Tragstruktur verankerten Hitzeschildelementen anzugeben, welche insbesondere die beschriebenen Nachteile überwindet, flexibel einsetzbar, leicht herstellbar und konstruktiv einfach gestaltet ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Hitzeschildanordnung für eine Heißgas führende Struktur, insbesondere ein metallisches Bauteil einer Gasturbinenanlage oder Brennkammer, mit flächendeckend nebeneinander auf einer Tragstruktur verankerten Hitzeschildelementen gelöst, wobei durch mindestens jeweils zwei benachbarte Hitzeschildelemente zwischen der Tragstruktur und jeweils der dem Heißgas abgewandten Fläche der Hitzeschildelemente ein Kühlluftkanal gebildet ist, in welchen Kühlluft eingespeist ist und durch welchen die benachbarten Hitzeschildelemente miteinander kommunizieren.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung ist es möglich, beispielsweise eine geschlossene Luftkühlung einer Brennkammer zu realisieren, indem Verdichterendluft in den gemäß der Erfindung gebildeten Kühlluftkanal eingespeist wird. Im Kühlluftkanal wird die Kühlluft gesammelt und nach erfolgter Kühlung dem mindestens einen Brenner zugeleitet, so dass sie dem Verbrennungsprozess zur Verfügung steht.
Vorteilhaft sind die mindestens zwei benachbarte Hitzeschildelemente durch mindestens ein Dichtelement verbunden, so dass das Austreten von Kühlluft aus dem Kühlluftkanal in die Heißgas führende Struktur und/oder das Eintreten von Heißgas in den Kühlluftkanal verhindert ist.
Infolge der während des Betriebs auftretenden Wärmebewegungen der Hitzeschildelemente sind diese üblicherweise unter Belassung von Spalten zwischen den einzelnen Hitzeschildelementen mit der Tragstruktur verankert, so dass sich die Hitzeschildelemente bei Hitzeeinwirkung ausdehnen können.
Die Belassung von Spalten zwischen den Hitzeschildelementen führt jedoch dazu, dass zum einen die in den erfindungsgemäß durch mindestens zwei benachbarte Hitzeschildelemente gebildeten Kühlluftkanal strömende Kühlluft durch mindestens einen Spalt aus dem Kühlluftkanal aus- und in die Brennkammer eintreten kann, so dass dieser Anteil an Luft (Leckluftstrom) für die Verbrennung verloren ist. Des Weiteren kann in umgekehrter Richtung Heißgas aus der Brennkammer in den Kühlluftkanal einströmen, so dass zum einen dieser Heißgasstrom für eine spätere Umwandlung in mechanische und/oder elektrische Energie verloren ist und zum anderen das Kühlpotenzial der Kühlluft im Kühlluftkanal reduziert ist, weil diese durch die aus dem Heißgasraum in den Kühlluftkanal einströmenden Leckströme an Heißgas aufgeheizt wird. Deshalb ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die mindestens zwei benachbarten Hitzeschildelemente mittels eines Dichtelements zu verbinden. Die Dichtung ist bevorzugt flexibel, so dass Wärmebewegungen der Hitzeschildelemente das Dichtelement nicht beschädigen.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die Hitzeschildelemente im Wesentlichen ausgebildet als Platten, insbesondere als metallische Platten, welche jeweils mindestens an zwei gegenüberliegenden Rändern jeweils einen Steg aufweisen.
Derartige Stege verbessern zum einen die Stabilität der Hitzeschildelemente, indem sie wie Versteifungsrippen wirken und sie bieten zum anderen eine gute Anbringungsmöglichkeit für das Dichtelement. Weiterhin kann durch die Höhe des Stegs der Querschnitt des Kühlluftkanals eingestellt oder vorgegeben werden, indem die Stege der benachbarten Hitzeschildelemente eine Seitenwand des Kühlluftkanals bilden. Außerdem können die Versteifungseigenschaften der Stege durch die Wahl deren Geometrie, beispielsweise der Rippenhöhe, festgelegt werden. Auf diese Weise sind z.B. die auftretenden Wärmespannungen gut in den Griff zu bekommen.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung grenzen die benachbarten Hitzeschildelemente mit jeweils einem Steg aneinander und das mindestens eine, insbesondere U-förmige Dichtelement ist in jeweils eine Nut des jeweiligen Steges der benachbarten Hitzeschildelemente einführbar.
Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung weisen die aneinandergrenzenden Stege der benachbarten Hitzeschildelemente beispielsweise zur Brennkammer oder bevorzugt zur Tragstruktur. Die Stege weisen jeweils eine Nut auf, insbesondere einen Schlitz in ihrer Fußfläche, so dass das Dichtelement, welches die benachbarten Hitzeschildelemente miteinander verbindet, in die Nuten der Stege der benachbarten Hitzeschildelemente eingeführt werden kann. Eine Nut ist ein besonders leicht herzustellendes Mittel, mit dessen Hilfe eine Verbindung herstellbar ist, im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwischen den benachbarten Hitzeschildelementen. Das Dichtelement ist bevorzugt U-förmig, so dass es z.B. bei einwirkenden Wärmeausdehnungskräften auf die beiden Schenkel des U-förmigen Dichtelements flexibel ist und diese Wärmeausdehnungskräfte zulässt, ohne dass das Dichtelement zerstört wird. Um das bevorzugt U-förmige Dichtelement besonders leicht mit den benachbarten Hitzeschildelementen zu verbinden, sind Stege der Hitzeschildelemente besonders geeignet, welche entweder zur Brennkammer oder bevorzugt zur Tragstruktur weisen. So ist es besonders einfach möglich, ein insbesondere U-förmiges Dichtelement mit seinen beiden Schenkeln in jeweils eine Nut des jeweiligen Steges der benachbarten Hitzeschildelemente einzuführen, eine gute Dichtwirkung zu realisieren und eine gegenüber Wärmeausdehnungskräften zerstörungsunempfindliche Dichtung herstellen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind weitere mindestens zwei benachbarte Hitzeschildelemente, welche nicht durch einen Kühlluftkanal miteinander kommunizieren, durch mindestens ein weiteres Dichtelement verbunden.
Bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind beispielsweise mehrere separate Kühlluftkanäle durch Hitzeschildelemente gebildet, wobei Hitzeschildelemente aneinandergrenzen, also benachbart sind, welche zur Bildung jeweils eines separaten Kühlluftkanals beitragen, so dass diese weiteren, mindestens zwei benachbarten Hitzeschildelemente keinen (gemeinsamen) Kühlluftkanal bilden und somit nicht durch einen Kühlluftkanal miteinander kommunizieren.
Ein Hitzeschildelement der weiteren mindestens zwei benachbarten Hitzeschildelemente kann dabei mit einem Hitzeschildelement der vorher beschriebenen jeweils zwei benachbarten Hitzeschildelemente identisch sein.
Damit das in der Brennkammer gebildete Heißgas nicht zu einer Zerstörung der Tragstruktur führen kann, indem es durch einen Spalt zwischen den weiteren mindestens zwei benachbarten Hitzeschildelementen hindurchtritt und die Tragstruktur angreift, ist das weitere Dichtelement zum Schutz der Tragstruktur vorgesehen.
Bevorzugt grenzen die weiteren mindestens zwei benachbarten Hitzeschildelemente mit jeweils einem Steg aneinander und die Stege liegen auf dem weiteren, bevorzugt eben ausgebildeten Dichtelement, auf, so dass ein Angriff des Heißgases auf die Tragstruktur verhindert ist.
In diesem Ausführungsbeispiel weisen die Stege entweder zur Brennkammer oder bevorzugt zur Tragstruktur. Weiterhin bilden die aneinandergrenzenden Stege der weiteren mindestens zwei benachbarten Hitzeschildelemente jeweils eine Seitenwand eines Kühlluftkanals, wobei die genannten Seitenwände zu unterschiedlichen Kühlluftkanälen gehören.
Damit eine Wärmeausdehnung der Hitzeschildelemente während des Betriebs möglich ist, sind die Hitzeschildelemente üblicherweise unter Belassung eines Spalts mit der Tragstruktur verankert. Durch diesen Spalt kann Heißgas aus dem Brennraum zwischen die Hitzeschildelemente treten und so die Tragstruktur angreifen.
Es wurde bereits dargestellt, dass der Spalt zwischen zwei benachbarten Hitzeschildelementen, welche einen Kühlluftkanal bilden, bevorzugt mittels eines Dichtelements, insbesondere eines U-förmigen, abgedichtet ist, um die Tragstruktur zu schützen. Dasselbe Problem eines möglichen Angriffs von Heißgas auf die Tragstruktur besteht auch für die weiteren mindestens zwei benachbarten Hitzeschildelementen, welche keinen gemeinsamen Kühlluftkanal bilden. Letztgenannte Hitzeschildelemente grenzen bevorzugt mit Stegen aneinander, welche gleichzeitig - wie bereits erwähnt - jeweils eine Seitenwand eines Kühlluftkanals bilden und daher meist eine deutlich größere Steghöhe aufweisen als diejenigen Stege, mit welchen benachbarte Hitzeschildelemente aneinandergrenzen, die einen (gemeinsamen) Kühlluftkanal bilden. Wenn nun die Stege der weiteren benachbarten Hitzeschildelemente direkt auf der Tragstruktur aufliegen würden, so könnte Heißgas aus der Brennkammer in den Spalt zwischen den weiteren benachbarten Hitzeschildelementen eintreten und die Tragstruktur angreifen. Deshalb ist es bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Stege der weiteren mindestens zwei benachbarten Hitzeschildelemente nicht direkt auf der Tragstruktur, sondern auf den weiteren, bevorzugt eben ausgebildeten Dichtelement aufliegen, so dass ein Angriff des Heißgases auf die Tragstruktur verhindert ist. Das weitere Dichtelement kann zur Steigerung seiner Wärmewiderstandsfähigkeit mit einer Wärmedämmschicht überzogen sein.
Auf diese Weise ist gewährleistet, dass Heißgas aus der Brennkammer nicht direkt auf die Tragstruktur treffen kann, sondern von dem weiteren Dichtelement zurückgehalten wird. Das weitere Dichtelement seinerseits ist üblicherweise auswechselbar mit der Tragstruktur verbunden, so dass es im Reparaturfall entnehmbar ist, und es besteht bevorzugt aus einem Hochtemperaturwerkstoff.
Besonders vorteilhaft ist auf den dem Heißgas zugewandten Flächen der Hitzeschildelemente eine Wärmedämmschicht aufgebracht.
Diese Wärmedämmschicht schützt die Hitzeschildelemente vor einer Überbeanspruchung und/oder Zerstörung durch Hitzeeinwirkung durch das Heißgas. Des Weiteren unterstützt sie die Kühlung der Hitzeschildelemente, indem sie einen Teil der Hitze durch ihre dämmende Wirkung vom Hitzeschildelement fern hält. So ist beispielsweise der zur Kühlung der Hitzeschildelemente nötige Durchsatz an Kühlluft reduziert.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Hitzeschildelemente jeweils eine, bevorzugt zentral angeordnete, Verschraubungsvorrichtung aufweisen, mittels welcher die Hitzeschildelemente mit der Tragstruktur verankerbar sind.
So sind die Hitzeschildelemente auf einfache Weise von der Tragstruktur lösbar oder mit dieser verbindbar, indem bevorzugt eine jeweils einzige Schraubverbindung gelöst bzw. herstellt wird. Der Aufwand beim Herstellen bzw. beim Lösen einer erfindungsgemäßen Hitzeschildanordnung ist dadurch sehr niedrig.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher dargestellt.
Es zeigen:
FIG 1
und 2 eine Tragstruktur mit einer erfindungsgemäßen Hitzeschildanordnung aus nebeneinander (FIG 1) und hintereinander (FIG 2) angeordneten Hitzeschildelementen, und
FIG 3
und 4 je ein Ausführungsbeispiel für die Abdichtung zwischen benachbarten Hitzeschildelementen, welche über einen gemeinsamen Kühlluftkanal miteinander kommunizieren (FIG 3) bzw. für benachbarte Hitzeschildelemente, welche nicht über einen gemeinsamen Kühlluftkanal miteinander kommunizieren (FIG 4), für den Einsatz bei einer erfindungsgemäßen Hitzeschildanordnung.
In den Figuren einander entsprechende Elemente sind mit den selben Bezugszeichen versehen.
In FIG 1 ist eine erfindungsgemäße Hitzeschildanordnung 5 dargestellt, bei welcher auf einer Tragstruktur 10 flächendeckend nebeneinander Hitzeschildelemente 20 angeordnet sind; in FIG 2 ist ein Querschnitt durch ein Hitzeschildelement und die Tragstruktur, welcher die Hitzeschildelemente etwa hälftig teilt, gezeigt. Üblicherweise sind beispielsweise zur Auskleidung eines größeren Heißgasraumes, wie z.B. einer Brennkammer 15, mehrere Reihen von Hitzeschildelementen aneinandergrenzend auf der Tragstruktur 10 angeordnet (dies ist in FIG 2 angedeutet).
Die Hitzeschildanordnung 5 kann beispielsweise die Brennkammer 15 einer Gasturbine auskleiden, um eine Beschädigung der Tragstruktur 10 während des Betriebs der Gasturbine zu verhindern.
Um die thermischen Belastungen zu reduzieren, ist es vorgesehen, die Hitzeschildelemente 20 jeweils auf deren der Brennkammer 15 abgewandten Fläche mittels Kühlluft zu kühlen.
Mindestens zwei benachbarte Hitzeschildelemente 20a, 20b bilden zwischen der Tragstruktur 10 und jeweils der dem Heißgas abgewandten Fläche der Hitzeschildelemente 20a, 20b einen Kühlluftkanal 30. Auf diese Weise kommunizieren die beiden genannten benachbarten Hitzeschildelemente 20a, 20b z.B. über den Kühlluftstrom L, welcher direkt von einem der Nachbarn zum anderen in dem durch die Nachbarn gebildeten, gemeinsamen Kühlluftkanal 30 fließt.
In der vorliegenden Figur 1 sind als Beispiel vier Hitzeschildelemente 20 dargestellt, welche einen gemeinsamen Kühlluftkanal 30 bilden; es kommt jedoch auch eine deutlich größere Anzahl an Hitzeschildelementen in Frage, welche auch in mehreren Reihen angeordnet sein können (in FIG 2 angedeutet).
Die Kühlluft L, welche durch Öffnungen 25 in den Kühlluftkanal 30 eingespeist ist, kühlt die Hitzeschildelemente 20 rückseitig beispielsweise mittels Prallkühlung, wobei die Kühlluft L praktisch senkrecht auf die dem Heißgas abgewandte Fläche der Hitzeschildelemente 20 trifft und dadurch thermische Energie aufnehmen und abführen kann. Die Kühlung der Hitzeschildelemente kann weiterhin durch Konvektionskühlung erfolgen, wobei Kühlluft L dabei im Wesentlichen parallel zur Oberfläche der Hitzeschildelemente an deren Rückseite entlang streicht und dadurch ebenfalls thermische Energie aufnehmen und abführen kann.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bewegt sich die Kühlluft L als Kühlluftstrom größtenteils von rechts nach links in dem von den Hitzeschildelementen 20 gemeinsam gebildeten Kühlluftkanal 30 und kann einem Brenner 70, welcher sich beispielsweise in der Brennkammer 15 befindet, zugeführt werden, um für die Verbrennung genutzt zu werden.
Um ein Austreten der Kühlluft L aus dem Kühlluftkanal 30 direkt in die Brennkammer 15 und ein Eintreten von Heißgas aus der Brennkammer 15 in den Kühlluftkanal 30 zu verhindern, sind Dichtelemente 35 zwischen den Hitzeschildelementen 20 vorgesehen. FIG 2 zeigt dazu in Querschnittsdarstellung durch ein Hitzeschildelement eine mögliche Ausgestaltung des Dichtelements 35. Es kann beispielsweise in eine Nut 50 eines Stegs 40 eines Hitzeschildelements eingeführt sein, wobei die Verbindung zu einem benachbarten Hitzeschildelement, mit welchem ein gemeinsamer Kühlluftkanal gebildet ist, auf analoge Weise geschieht, indem bevorzugt der andere Schenkel des vorteilhaft U-förmigen Dichtelements 35 in die Nut 50 eines Stegs 40 eines benachbarten Hitzeschildelements eingeführt wird.
In FIG 2 ist außerdem eine Verschraubungsvorrichtung 60, beispielsweise eine Versenkung zur Aufnahme einer Schraube, dargestellt. Vorteilhaft wird zur Verankerung der Hitzeschildelemente 20 mit der Tragstruktur 10 ein Befestigungselement, beispielsweise eine Schraube, in die Verschraubungsvorrichtung 60 eingeführt und auf Seiten der Tragstruktur 10 beispielsweise mittels einer Mutter befestigt.
In FIG 3 und FIG 4 sind jeweils ein Ausführungsbeispiel für die Dichtung zwischen benachbarten Hitzeschildelementen 20a, 20b bzw. 20c, 20d dargestellt.
Dabei zeigt FIG 3 die Dichtung zwischen benachbarten Hitzeschildelementen 20a, 20b, welche erfindungsgemäß einen Kühlluftkanal 30 bilden, über welchen die genannten Hitzeschildelemente z.B. durch Kühlluft L miteinander kommunizieren.
Die Hitzeschildelemente 20a, 20b weisen jeweils mindestens an zwei ihrer gegenüberliegenden Ränder jeweils einen Steg 40a auf, in welchen jeweils eine Nut 50 eingebracht ist.
In diese Nuten 50 ist jeweils ein Schenkel des im Querschnitt im Wesentlichen U-förmigen Dichtelements 35 eingeführt, so dass das Eintreten von Heißgas aus der Brennkammer 15 in den Spalt zwischen den Hitzeschildelementen 20a, 20b verhindert ist. Ein Ausführungsbeispiel für eine genauere figürliche Ausgestaltung des Dichtelements 35 kann der FIG 2 entnommen werden.
In FIG 4 sind weitere zwei benachbarte Hitzeschildelemente 20c, 20d dargestellt, welche keinen Kühlluftkanal bilden, über welchen sie miteinander kommunizieren. Das Hitzeschildelement 20c bildet beispielsweise mindestens zusammen mit einem anderen, nicht dargestellten, Hitzeschildelement einen gemeinsamen Kühlluftkanal 30 und das Hitzeschildelement 20b bildet mit mindestens einem weiteren anderen, nicht dargestellten Hitzeschildelement einen gemeinsamen Kühlluftkanal 30'. Derartige, in der FIG 4 dargestellte aneinandergrenzende Hitzeschildelemente, welche keinen gemeinsamen Kühlluftkanal bilden, ergeben sich beispielsweise, wenn die in der FIG 1 dargestellte Reihe von Hitzeschildelementen vervielfacht und "hintereinander" wie in FIG 2 angedeutet auf einer Tragstruktur angeordnet wird.
In der FIG 4 ist zum Schutz der Tragstruktur 10 vor aus der Brennkammer 15 austretendem Heißgas in den Spalt zwischen den Hitzeschildelementen 20c, 20d ein Dichtelement 45 vorgesehen, welches bevorzugt als Platte ausgebildet ist, die mit der Tragstruktur 10 verbunden wird. Die Hitzeschildelemente 20c, 20d weisen mindestens jeweils an zwei gegenüberliegenden Seiten ihrer dem Heißgas zugewandten Fläche Stege 40b auf, welche besonders vorteilhaft eine Steghöhe aufweisen, die die Steghöhe der in FIG 3 dargestellten Stege 40a übersteigt. Die Stege 40b bilden dabei Seitenwände der Kühlluftkanäle 30, 30'. Die Dichtung wird dadurch hergestellt, dass die Stege 40b auf dem Dichtelement 40 aufliegen, so dass ein Angriff des Heißgases aus der Brennkammer 15 auf die Tragstruktur 10 verhindert ist. Bevorzugt erstreckt sich das Dichtelement 45 über die gesamte Länge des Steges 40b. Das Dichtelement 45, sowie die Hitzeschildelemente 20 können weiterhin mit einer Wärmedämmschicht 55 überzogen sein.

Claims (8)

  1. Hitzeschildanordnung (5) für eine Heißgas führende Struktur, insbesondere ein metallisches Bauteil einer Gasturbinenanlage oder Brennkammer (15), mit flächendeckend nebeneinander auf einer Tragstruktur (10) verankerten Hitzeschildelementen (20),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    durch mindestens jeweils zwei benachbarte Hitzeschildelemente (20a, 20b) zwischen der Tragstruktur (10) und jeweils der dem Heißgas abgewandten Fläche der Hitzeschildelemente (20a, 20b)ein Kühlluftkanal (30) gebildet ist, in welchen Kühlluft (L) eingespeist ist und durch welchen die benachbarten Hitzeschildelemente (20a, 20b) miteinander kommunizieren.
  2. Hitzeschildanordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die mindestens zwei benachbarten Hitzeschildelemente (20a, 20b) durch mindestens ein Dichtelement (35) verbunden sind, so dass das Austreten von Kühlluft (L) aus dem Kühlluftkanal in die Heißgas führende Struktur und/oder das Eintreten von Heißgas in den Kühlluftkanal (30) verhindert ist.
  3. Hitzeschildanordnung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Hitzeschildelemente (20) im Wesentlichen ausgebildet sind als Platten, insbesondere als metallische Platten, welche jeweils mindestens an zwei gegenüberliegenden Rändern jeweils einen Steg (40a, 40b) aufweisen.
  4. Hitzeschildanordnung nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die mindestens zwei benachbarten Hitzeschildelemente (20a, 20b) mit jeweils einem Steg (40a) aneinander grenzen und das mindestens eine, insbesondere U-förmige Dichtelement (35) in jeweils eine Nut (50) des jeweiligen Steges der benachbarten Hitzeschildelemente (20a, 20b)einführbar ist.
  5. Hitzeschildanordnung nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    weitere mindestens zwei benachbarte Hitzeschildelemente (20c, 20d), welche nicht durch einen Kühlluftkanal (30, 30') miteinander kommunizieren, durch mindestens ein weiteres Dichtelement (45) verbunden sind.
  6. Hitzeschildanordnung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die weiteren mindestens zwei benachbarten Hitzeschildelemente (20c, 20d) mit jeweils einem Steg (40b) aneinander grenzen und die Stege (40b) auf dem weiteren, bevorzugt eben ausgebildeten Dichtelement (45) aufliegen, so dass ein Angriff des Heißgases auf die Tragstruktur (10) verhindert ist.
  7. Hitzeschildanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    auf den dem Heißgas zugewandten Flächen der Hitzeschildelemente (20) eine Wärmedämmschicht (55) aufgebracht ist.
  8. Hitzeschildanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Hitzeschildelemente (20) jeweils eine, bevorzugt zentral angeordnete, Verschraubungsvorrichtung (60) aufweisen, mittels welcher die Hitzeschildelemente mit der Tragstruktur (10) verankerbar sind.
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