Die Erfindung betrifft ein Hitzeschildelement für die Innenauskleidung
von Brennkammern. Die Erfindung betrifft weiterhin
eine Brennkammer mit derartigen Hitzeschildelementen.
Brennkammern sind Bestandteil von Gasturbinen, die in vielen
Bereichen zum Antrieb von Generatoren oder von Arbeitsmaschinen
eingesetzt werden. Dabei wird der Energieinhalt eines
Brennstoffs zur Erzeugung einer Rotationsbewegung einer Turbinenwelle
genutzt. Der Brennstoff wird dazu von Brennern in
den ihnen nachgeschalteten Brennkammern verbrannt, wobei von
einem Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird. Durch
die Verbrennung des Brennstoffs wird ein unter hohem Druck
stehendes Arbeitsmedium mit einer hohen Temperatur erzeugt.
Dieses Arbeitsmedium wird in eine den Brennkammern nachgeschaltete
Turbineneinheit geführt, wo es sich arbeitsleistend
entspannt.
Dabei kann jedem Brenner eine separate Brennkammer zugeordnet
sein, wobei das aus den Brennkammern abströmende Arbeitsmedium
vor oder in der Turbineneinheit zusammengeführt sein kann.
Alternativ kann die Brennkammer aber auch in einer so genannten
Ringbrennkammer-Bauweise ausgeführt sein, bei der eine
Mehrzahl, insbesondere alle, der Brenner in eine gemeinsame,
üblicherweise ringförmige Brennkammer münden.
Bei der Auslegung derartiger Gasturbinen ist zusätzlich zur
erreichbaren Leistung üblicherweise ein besonders hoher Wirkungsgrad
ein Auslegungsziel. Eine Erhöhung des Wirkungsgrades
lässt sich dabei aus thermodynamischen Gründen grundsätzlich
durch eine Erhöhung der Austrittstemperatur erreichen,
mit der das Arbeitsmedium von der Brennkammer ab- und in die
Turbineneinheit einströmt. Daher werden Temperaturen von etwa
1200 °C bis 1500 °C für derartige Gasturbinen angestrebt und
auch erreicht.
Bei derartig hohen Temperaturen des Arbeitsmediums sind jedoch
die diesem Medium ausgesetzten Komponenten und Bauteile
hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Um dennoch bei hoher
Zuverlässigkeit eine vergleichsweise lange Lebensdauer
der betroffenen Komponenten zu gewährleisten, ist üblicherweise
eine Ausgestaltung mit besonders hitzebeständigen Materialien
und eine Kühlung der betroffenen Komponenten, insbesondere
der Brennkammer, nötig.
Die Brennkammerwand ist dazu in der Regel auf ihrer Innenseite
mit Hitzeschildelementen ausgekleidet, die mit besonders
hitzebeständigen Schutzschichten versehen werden können,
und die durch die eigentliche Brennkammerwand hindurch gekühlt
werden. Dazu wird in der Regel ein auch als "Prallkühlung"
bezeichnetes Kühlverfahren eingesetzt. Bei der Prallkühlung
wird ein Kühlmittel, in der Regel Kühlluft, durch
eine Anzahl von Bohrungen in der Brennkammerwand den Hitzeschildelementen
zugeführt, so dass das Kühlmittel im Wesentlichen
senkrecht auf ihre der Brennkammerwand zugewandte, außen
liegende Fläche prallt. Das durch den Kühlprozess aufgeheizte
Kühlmittel wird anschließend aus dem Innenraum, den
die Brennkammerwand mit den Hitzeschildelementen bildet, abgeführt.
Um die Hitzeschildelemente an der Brennkammerwand zu befestigen,
sind diese in der Regel mit dieser verschraubt. Die Hitzeschildelemente
können dazu an ihren Seitenwänden derart
ausgebildet sein, dass sich zwei benachbarte Hitzeschildelemente
an ihren Rändern überschneiden bzw. ein Hitzeschildelement
einen Überhang bildet, so dass sich mit einer Anzahl von
Verschraubungen an einem Hitzeschildelement jeweils zwei benachbarte
Hitzeschildelemente an der Brennkammerwand befestigen
lassen. Alternativ wird eine Schraube jeweils durch zwei
benachbarte Hitzeschildelemente geführt. Die Innenauskleidung
einer Brennkammer besteht bei diesen Anordnungen alternierend
aus Hitzeschildelementen mit Befestigungsschrauben und Hitzeschildelementen
ohne Befestigungsschrauben. Nachteilig an
dieser Anordnung der Hitzeschildelemente ist, dass zwei benachbarte
Hitzeschilde durch eine Dehnungsfuge voneinander
beabstandet sind, die fast annähernd die Tiefe der Hitzeschildelemente
aufweist, so dass an den Hitzeschildelementen
im Bereich der Dehnungsfuge thermische Verspannungen auftreten,
die zur Beschädigung der Hitzeschildelemente führen können.
Diese Verschraubung der Hitzeschildelemente kann von der gekühlten
Seite der Hitzeschildelemente vorgenommen werden. Alternativ
können die Hitzeschildelemente auch vom Brennkammerinnenraum
aus mit der Brennkammerwand verschraubt werden.
Dazu sind in den Hitzeschildelementen Bohrungen und sich anschließende
zylindrische Vertiefungen eingebracht, in denen
sich ein Schraubenkopf versenken lässt, so dass dieser bündig
mit der innen liegenden Fläche der Hitzeschildelemente abschließt.
Bei dieser Befestigung ist aufgrund der hohen Temperaturen
im Brennkammerinnenraum eine Kühlung der Befestigungsschrauben
von der gekühlten Seite der Hitzeschildelemente
aus vorgesehen.
Nachteilig an der Verschraubungen von der gekühlten Seite eines
Hitzeschildelementes ist, dass die Schraubverbindungen
nur sehr schwer zugänglich sind, da diese nur von dem Innenraum
zwischen Brennkammerwand und Hitzeschildelement aus erreicht
werden können. Die häufig anfallenden Montage- und
Wartungsarbeiten an den Hitzeschildelementen sind daher sehr
zeitaufwändig, weil insbesondere auch Teile der Brennkammerwand
entfernt werden müssen.
Nachteilig an der Verschraubung vom Brennkammerinnenraum her
ist, dass ein Kühlsystem für die Kühlung der Schrauben bereit
gestellt werden muss. Eine derartige Kühlung wirkt sich insbesondere
nachteilig auf den Gesamtwirkungsgrad der Brennkammer
und der Gasturbine aus, weil zur Kühlung der Schrauben
zusätzlich ein Kühlmedium wie beispielsweise Kühlluft aufgeheizt
wird. Außerdem beeinflusst der Zwischenraum zwischen
den Vertiefungen und den darin versenkten Schraubenköpfen die
Strömungsbewegung des Arbeitsmediums, weil diese Vertiefung
im Vergleich zur glatten Innenfläche der Hitzeschildelemente
eine aerodynamische Störungsquelle darstellt, die zu Verwirbelungen
und Geschwindigkeitsverlust des entlangströmenden
Arbeitsmediums führt. Diese Auswirkungen auf die Bewegung des
Arbeitsmediums beeinflussen den Wirkungsgrad der Brennkammer
bzw. der Gasturbine ebenfalls negativ.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Hitzeschildelement
für die Innenauskleidung von Brennkammern anzugeben,
das bei einem besonders hohen Wirkungsgrad der Brennkammer
für eine möglichst einfache Montage an der Brennkammerwand
ausgelegt ist. Weiterhin soll eine Brennkammer für
Gasturbinen mit den oben genannten Hitzeschildelementen angegeben
werden.
Bezüglich des Hitzeschildelements wird diese Aufgabe erfindungsgemäß
gelöst, indem am Hitzeschildelement an der dem
Brennkammerinnenraum abgewandten Seite über eine Anzahl von
Trägerelementen eine Anzahl von Aufnahmehaken für Befestigungsschrauben
angeordnet sind.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass für einen
akzeptablen Montageaufwand des Systems eine Befestigung
der Hitzeschildelemente von ihrem Außenraum aus möglichst
vermieden werden sollte; die Hitzeschildelemente sollten also
für eine Montage vom Innenraum der Brennkammer aus konzipiert
sein. Um dabei aber den Kühlaufwand für die Befestigungsschrauben
gering zu halten, sollte das Hitzeschildelement von
seiner Rückseite, also der dem Brennkammerinnenraum abgewandten
Seite, mit einer Halterung an der Brennkammerwand befestigt
werden, wobei zudem die dem Brennkammerinnenraum zugewandte
Fläche der Hitzeschildelemente möglichst strömungsgünstig
für das Arbeitsmedium im Brennkammerinnenraum gestaltet
sein kann. Diese Funktion wird durch die Aufnahmehaken erfüllt,
an denen über eingehängte Schrauben die Hitzeschildelemente
mit der Brennkammerwand verschraubt werden. Da die
Schrauben durch die über Trägerelemente angeordneten Aufnahmehaken
von der dem Brennkammerinnenraum zugewandten Fläche
der Hitzeschildelemente entfernt angeordnet sind, kann die
Hitzeschildelementoberfläche weitgehend unterbrechungsfrei
gestaltet sein.
Um eine Befestigungsschraube an einem Aufnahmehaken auf besonders
einfache Weise befestigen zu können, ist diese zweckmäßigerweise
mit einer Aussparung in Form eines einseitig geöffneten
Schlitzes versehen. In diesen Schlitz kann der
Schraubenkopf durch das seitliche Einschieben der Schraube in
den Schlitz an einem Aufnahmehaken verankert werden.
Damit sich die seitlich in den Schlitz eines Aufnahmehakens
eingeschobene Befestigungsschraube vom Brennkammerinnenraum
aus mit der Brennkammerwand verschrauben lässt, weist ein
Schraubenkopf einer Befestigungsschraube vorzugsweise eine
Aussparung für die Aufnahme eines Innensechskant-Werkzeuges
auf.
Um den Schraubenkopf vom Brennkammerinnenraum aus für das für
die Verschraubung der Befestigungsschraube benötigte Werkzeug
zugänglich zu halten, weist das Hitzeschildelement vorteilhafterweise
jeweils oberhalb eines Aufnahmehakens eine zugeordnete
Bohrung auf. Durch diese Bohrung kann eine Befestigungsschraube
vom Werkzeug und insbesondere einem Innensechskant-Werkzeug
vom Brennkammerinnenraum aus erreicht und mit
der Brennkammerwand verschraubt werden. Die Bohrung muss dazu
lediglich den Maximaldurchmesser des für die Schraubverbindung
genutzten Werkzeuges aufweisen.
Um die Innenwandfläche der Brennkammer für das Arbeitsmedium
bei Brennkammerbetrieb möglichst strömungsgünstig zu gestalten
und die Brennkammer nach außen abzudichten, sind die den
Aufnahmehaken zugeordneten Bohrungen zweckmäßigerweise mit
jeweils einem lösbaren Stopfen verschlossen. Dieser Stopfen
kann bei Montage und Wartungsarbeiten an den Hitzeschildelementen
entfernt werden, um die Schraubverbindungen der Hitzeschildelemente
durch die Bohrungen mit einem geeigneten Werkzeug
erreichen zu können.
Um die Tiefe einer Dehnungsfuge zwischen benachbarten Hitzeschildelementen
möglichst gering zu halten und die beim
Brennkammerbetrieb auftretenden thermische Verspannungen der
Hitzeschildelemente möglichst zu minimieren, weisen die Hitzeschildelemente
insbesondere an ihren Seitenkanten vorteilhafterweise
eine besonders gering gehaltene Tiefe auf. Dazu
ist der oder jeder Aufnahmehaken des Hitzeschildelements vorteilhafterweise
durch ein zugeordnetes Trägerelement vom Außenrand
des Hitzeschildelementes brennkammerwandwärts beabstandet
angeordnet. Durch diese Positionierung eines Aufnahmehakens
wird insbesondere zwischen Aufnahmehaken und Hitzeschildelement
Raum für die Aufnahme des Kopfes einer Befestigungsschraube
geschaffen, so dass die Tiefe eines Hitzeschildelementes,
und insbesondere die Tiefe des Seitenrandes
eines Hitzeschildelementes, und damit die Tiefe einer Dehnungsfuge
zu einem benachbarten Hitzeschildelement entsprechend
gering gehalten werden kann.
Damit benachbarte Hitzeschildelemente mit Befestigungsschrauben
jeweils eines Hitzeschildelementes an der Brennkammerwand
befestigt werden können, ist das Hitzeschildelement vorzugsweise
derart geformt, dass sich benachbarte Hitzeschildelemente
überschneiden. Um im Überschneidungsbereich eine ausreichende
Abdichtung zum Brennkammerinnenraum sicherzustellen
und eine entsprechend ausreichende Stabilität der Verschraubung
beider Hitzeschildelemente zu gewährleisten, bildet die
Verbindungsstelle der für die Aufnahmehaken vorgesehenen Trägerelemente
mit dem Hitzeschildelement vorzugsweise eine Auflagefläche
für benachbarte Hitzeschildelemente aus. Durch
diese Formwahl kann ein Hitzeschildelement ohne eigene Befestigungsvorrichtung
über zwei benachbarte Hitzeschildelementen
mit Befestigungsschrauben der oben genannten Art an der
Brennkammerwand befestigt werden.
Das oben genannte Hitzeschildelement ist zweckmäßigerweise
Bestandteil der Innenauskleidung einer Brennkammer.
Die oben genannte Brennkammer ist vorzugsweise Bestandteil
einer Gasturbine.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere
darin, dass mit den der Brennkammerwand zugewandten Aufnahmehaken
für Befestigungsschrauben eines Hitzeschildelementes
und den zugeordneten Bohrungen im Hitzeschildelement eine
einfache und funktionale Möglichkeit zur Befestigung der Hitzeschildelemente
an der Brennkammerwand bereit gestellt werden
kann, die zugleich eine für das Arbeitsmedium strömungsgünstige
Gestaltung der Hitzeschildelementoberfläche brennkammerwärts
ermöglicht, was sich günstig auf den Wirkungsgrad
der Brennkammer auswirkt. Dazu trägt insbesondere bei, dass
die Innenauskleidung einer Brennkammer bei der Verwendung der
beschriebenen Hitzeschildelemente mit Ausnahme der Bohrungen
eben gestaltet werden kann. Außerdem wird der Wirkungsgrad
durch die angegebenen Hitzeschildelemente positiv beeinflusst,
weil eine gesonderte Kühlung der Befestigungsschrauben
nicht erforderlich ist. Wartungs- und Montagearbeiten an
den Hitzeschildelementen, bei denen diese von der Brennkammerwand
entfernt werden, können mit den angegebenen Hitzeschildelementen
zeit- und kostensparend durchgeführt werden.
Ein Ausführungsbeispiel wird anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Darin zeigen:
- FIG 1
- einen Halbschnitt durch eine Gasturbine,
- FIG 2
- eine Seitenansicht von Hitzeschildelementen einer
Innenauskleidung einer Brennkammer,
- FIG 3
- eine Aufsicht von Hitzeschildelementen einer Innenauskleidung
einer Brennkammer.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen
versehen.
Die Gasturbine 1 gemäß FIG 1 weist einen Verdichter 2 für
Verbrennungsluft, eine Brennkammer 4 sowie eine Turbine 6 zum
Antrieb des Verdichters 2 und eines nicht dargestellten Generators
oder einer Arbeitsmaschine auf. Dazu sind die Turbine
6 und der Verdichter 2 auf einer gemeinsamen, auch als
Turbinenläufer bezeichneten Turbinenwelle 8 angeordnet, mit
der auch der Generator bzw. die Arbeitsmaschine verbunden
ist, und die um ihre Mittelachse 9 drehbar gelagert ist. Die
in der Art einer Ringbrennkammer ausgeführte Brennkammer 4
ist mit einer Anzahl von Brennern 10 zur Verbrennung eines
flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs bestückt.
Die Turbine 6 weist eine Anzahl von mit der Turbinenwelle 8
verbundenen, rotierbaren Laufschaufeln 12 auf. Die Laufschaufeln
12 sind kranzförmig an der Turbinenwelle 8 angeordnet
und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen. Weiterhin
umfasst die Turbine 6 eine Anzahl von feststehenden Leitschaufeln
14, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von
Leitschaufelreihen an einem Innengehäuse 16 der Turbine 6 befestigt
sind. Die Laufschaufeln 12 dienen dabei zum Antrieb
der Turbinenwelle 8 durch Impulsübertrag vom die Turbine 6
durchströmenden Arbeitsmedium M. Die Leitschaufeln 14 dienen
hingegen zur Strömungsführung des Arbeitsmediums M zwischen
jeweils zwei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen
aufeinanderfolgenden Laufschaufelreihen oder Laufschaufelkränzen.
Ein aufeinanderfolgendes Paar aus einem Kranz von
Leitschaufeln 14 oder einer Leitschaufelreihe und aus einem
Kranz von Laufschaufeln 12 oder einer Laufschaufelreihe wird
dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet.
Jede Leitschaufel 14 weist eine auch als Schaufelfuß bezeichnete
Plattform 18 auf, die zur Fixierung der jeweiligen Leitschaufel
14 am Innengehäuse 16 der Turbine 6 als Wandelement
angeordnet ist. Die Plattform 18 ist dabei ein thermisch vergleichsweise
stark belastetes Bauteil, das die äußere Begrenzung
eines Heizgaskanals für das die Turbine 6 durchströmende
Arbeitsmedium M bildet. Jede Laufschaufel 12 ist in analoger
Weise über eine auch als Schaufelfuß bezeichnete Plattform 20
an der Turbinenwelle 8 befestigt.
Zwischen den beabstandet voneinander angeordneten Plattformen
18 der Leitschaufeln 14 zweier benachbarter Leitschaufelreihen
ist jeweils ein Führungsring 21 am Innengehäuse 16 der
Turbine 6 angeordnet. Die äußere Oberfläche jedes Führungsrings
21 ist dabei ebenfalls dem heißen, die Turbine 6 durchströmenden
Arbeitsmedium M ausgesetzt und in radialer Richtung
vom äußeren Ende 22 der ihm gegenüber liegenden Laufschaufel
12 durch einen Spalt beabstandet. Die zwischen benachbarten
Leitschaufelreihen angeordneten Führungsringe 21
dienen dabei insbesondere als Abdeckelemente, die die Innenwand
16 oder andere Gehäuse-Einbauteile vor einer thermischen
Überbeanspruchung durch das die Turbine 6 durchströmende heiße
Arbeitsmedium M schützt.
Die Brennkammer 4 ist im Ausführungsbeispiel als so genannte
Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in
Umfangsrichtung um die Turbinenwelle 8 herum angeordneten
Brennern 10 in einen gemeinsamen Brennkammerraum münden. Dazu
ist die Brennkammer 4 in ihrer Gesamtheit als ringförmige
Struktur ausgestaltet, die um die Turbinenwelle 8 herum positioniert
ist.
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist
die Brennkammer 4 für eine vergleichsweise hohe Temperatur
des Arbeitsmediums M von etwa 1200 °C bis 1500 °C ausgelegt.
Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern
eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermöglichen,
ist die Brennkammerwand 24 auf ihrer dem Arbeitsmedium
M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen
26 gebildeten Innenauskleidung versehen. Jedes Hitzeschildelement
26 ist arbeitsmediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen
Schutzschicht ausgestattet. Aufgrund der hohen
Temperaturen im Inneren der Brennkammer 4 ist zudem für die
Hitzeschildelemente 26 ein Kühlsystem vorgesehen.
Zur weiteren Verdeutlichung der Innenauskleidung der Brennkammer
4 ist in FIG 2 schematisch ein Ausschnitt der Innenverkleidung
der Brennkammer 4 dargestellt, die sich aus einer
Anzahl von Hitzeschildelementen 26 zusammensetzt.
Die Hitzeschildelemente 26 sind bei einem hohen Wirkungsgrad
für die Brennkammer 4 insbesondere auch dazu ausgelegt, möglichst
zeitsparend montiert und gewartet zu werden. Dazu ist
das Hitzeschildelement 26 mit Befestigungsschrauben 28 mit
der Brennkammerwand 24 verschraubt, wobei diese mit ihren
Schraubenköpfen 30 jeweils in einem mit einem Schlitz versehenen
Aufnahmehaken 32 verankert sind, wie sich aus FIG 2
erkennen lässt. Dabei sind die Aufnahmehaken 32 über Trägerelemente
34 an den Hitzeschildelementen 26 befestigt. Um sowohl
den Schraubenkopf 30 zwischen Hitzeschildelement 26 und
Aufnahmehaken 32 zu positionieren als auch die Hitzeschildelemente
26 möglichst schmal zu halten, um die Dehnungsfuge
zu den benachbarten Hitzeschildelementen 26 zu verkleinern,
sind die Aufnahmehaken 32 durch die Trägerelemente 34 von der
Seitenkante des Hitzeschildelementes 26 brennkammerwandwärts
beabstandet angeordnet. Um die in FIG 2 dargestellten benachbarten
Hitzeschildelemente 26 ohne eigene Befestigungsschrauben
28 an der Brennkammerwand 24 zu befestigen, bilden die
Verbindungsstellen der Trägerelemente 34 mit dem Hitzeschildelement
26 eine Auflagefläche für die benachbarten Hitzeschildelemente
26 aus. Wie aus der Figur zu erkennen ist,
kann so durch die Verwendung von alternierenden Hitzeschildelementen
26 mit Befestigungsschrauben 28 und Hitzeschildelementen
26 ohne Befestigungsschrauben 28 die Innenauskleidung
der Brennkammer 4 gebildet werden.
Um die Befestigungsschrauben 28 für Werkzeuge von der Brennkammer
24 aus zugänglich zu halten, ist einem Aufnahmehaken
32 und der zugehörigen Befestigungsschraube 28 eine Bohrung
36 im Hitzeschildelement 26 zugeordnet. Im Schraubenkopf 30
ist eine Aussparung für die Aufnahme eines Innensechskant-Werkzeuges
vorgesehen, um die Befestigungsschrauben 28 an der
Brennkammerwand 24 zu verschrauben. Wie in FIG 3 dargestellt
ist, werden die Bohrungen 36 bei Brennkammerbetrieb mit Stopfen
38 verschlossen, um die Brennkammer 4 nach außen abzudichten.