EP1507116A1 - Heat shield arrangement for a high temperature gas conveying component, in particular for a gas turbine combustion chamber - Google Patents

Heat shield arrangement for a high temperature gas conveying component, in particular for a gas turbine combustion chamber Download PDF

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EP1507116A1
EP1507116A1 EP03018415A EP03018415A EP1507116A1 EP 1507116 A1 EP1507116 A1 EP 1507116A1 EP 03018415 A EP03018415 A EP 03018415A EP 03018415 A EP03018415 A EP 03018415A EP 1507116 A1 EP1507116 A1 EP 1507116A1
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EP
European Patent Office
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heat shield
coolant
cooling
combustion chamber
support structure
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03018415A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Stefan Dahlke
Heinrich Pütz
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
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Priority to CNA2004800216354A priority patent/CN1829879A/en
Priority to JP2006522925A priority patent/JP4436837B2/en
Priority to US10/568,115 priority patent/US7849694B2/en
Priority to PCT/EP2004/008116 priority patent/WO2005019730A1/en
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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
    • F23R3/002—Wall structures
    • 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
    • F23M5/02—Casings; Linings; Walls characterised by the shape of the bricks or blocks used
    • 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
    • F23M5/085—Cooling thereof; Tube walls using air or other gas as the cooling medium
    • 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 assembly for a Hot gas leading component, leaving a majority of under a gap arranged side by side on a supporting structure
  • a heat shield element attachable to the support structure, leaving an interior space is formed, the area by area to be cooled Hot gas wall is limited, with an inlet channel for inflow a coolant in the interior.
  • the invention further relates to a combustion chamber having an inner combustion liner, such a heat shield assembly has and a gas turbine with such a combustion chamber.
  • EP 0 224 817 B1 is a heat shield arrangement, in particular for structural parts of gas turbine plants, described.
  • the heat shield assembly serves to protect a support structure towards a hot fluid, in particular to Protection of a hot gas duct wall in gas turbine plants.
  • the Heat shield assembly has an inner lining made of heat-resistant Material on, which assembled nationwide is made of heat shield elements anchored to the support structure. These heat shield elements are under leave of Columns for the flow of cooling fluid arranged side by side and heat-mobile.
  • Each of these heat shield elements has a hat part and a shaft part in the manner of a mushroom on.
  • the hat part is a flat or spatial, polygonal Plate body with straight or curved boundary lines.
  • the shank part connects the central area of the plate body with the supporting structure.
  • the hat part has preferably a triangular shape, whereby by identical hat parts an inner lining can be produced almost any geometry.
  • the hat parts and possibly other parts of the heat shield elements consist of a high temperature resistant material, especially from a steel.
  • the support structure has holes through which a cooling fluid, in particular air, into a Gap in between space between hat and support structure can and from there through the column to flow through the Cooling fluid in a surrounded by the heat shield elements Room area, for example a combustion chamber of a gas turbine plant, can flow in. This cooling fluid flow is reduced the penetration of hot gas into the space.
  • US 5,216,886 is a metallic lining for a Combustion chamber described.
  • This lining consists of a plurality of juxtaposed cube-shaped Hollow components (cells) attached to a common metal plate welded or soldered.
  • the common metal plate assigns each cube-shaped cell associated with exactly one Opening for the inflow of cooling fluid.
  • the cube-shaped Cells are each adjacent to each other leaving a gap arranged. They are included in every sidewall in near the common metal plate has a respective opening for the outflow of cooling fluid.
  • the cooling fluid thus enters the gap between adjacent cube-shaped cells flows through this column and forms a hot gas at one exposable, parallel to the metallic plate directed Surface of the cells, a cooling film off.
  • a structure of a wall structure is described defined open cooling system in which cooling air over a Wall structure through the cells into the interior of the Combustion chamber got into it. The cooling air is therefore for more Cooling lost.
  • a wall in particular for gas turbine plants, described having cooling fluid channels.
  • the wall is preferably in gas turbine plants between a Hot room and a cooling fluid space arranged. she is off assembled together individual wall elements, wherein each of the wall elements a made of heat resistant material plate body is. Each plate body points over its base distributed, mutually parallel cooling channels on a End with a cooling fluid space and at the other end with the Hot room communicate. The inflowing into the hot room, through the cooling fluid channels guided cooling fluid forms on the the hot room facing surface of the wall element and / or adjacent wall elements a cooling fluid film.
  • GB-A-849255 is a cooling system for cooling a Combustor wall shown.
  • the combustion chamber wall is by wall elements educated.
  • Each wall element has a hot gas wall with a hot gas-actable outside and with a Inside up. Perpendicular to the inside nozzles are arranged. From these nozzles occurs cooling fluid in the form of a concentrated Current and hits the inside. Thereby the hot gas wall is cooled.
  • the cooling fluid is in a Collection chamber collected and discharged from the collection chamber.
  • the object of the invention is to provide a heat shield assembly, the Coolable with a coolant, specify so that at a Cooling of the heat shield assembly at most a smaller Loss of cooling fluid occurs.
  • the heat shield assembly should be used in a combustion chamber of a gas turbine.
  • the invention is based on the consideration that due to the very high flame temperatures in hot gas ducts or other hot gas spaces, for example in combustion chambers of stationary gas turbines, the hot gas leading components must be actively cooled.
  • a variety of cooling technologies - also in combination - can be used.
  • the most commonly used cooling concepts are convection cooling, convection cooling with turbulence-increasing measures and impingement cooling. Due to the very intensive efforts, in particular, to reduce the pollutant emissions of open-cooled systems, for example of open-cooled combustors of gas turbines, the saving of cooling air is a particularly important factor in achieving these goals - here an increased NO x reduction.
  • the goal for open-cooled cooling concepts is therefore to minimize the required cooling air mass flow.
  • the cooling air finally escapes through the gap of adjacent heat shield elements after the cooling task has ended, in order subsequently to reach the combustion chamber.
  • the outflow of cooling air protects the system from hot gas entering the gap.
  • the uncontrolled blowing out of the cooling air however, more cooling air is used to lock the column, as required for the cooling task. This overdose results in excessive cooling air consumption with detrimental consequences for the overall system efficiency and pollutant emissions of the hot gas generating combustion system.
  • the heat shield assembly is particularly easy to implement and compared to the closed cooling concepts with coolant return design associated with significantly lower manufacturing costs. Due to the controlled coolant outlet into the gap can be compared to the conventional concepts coolant, for. As cooling air, can be saved and at the same time a significant reduction in pollutant emissions are effected, in particular the NO x emission. This is achieved in that a coolant outlet channel is provided for the controlled exit of coolant from the interior, which opens from the interior into the gap.
  • this is in the gap by the targeted and metered admission of the gap with coolant a particularly high cooling efficiency and blocking effect of the coolant against a hot gas attack in the gap on the Support structure achieved.
  • the controlled discharge of coolant from the interior can thereby in a simple manner appropriate dimensioning of the coolant outlet channel, for example, with regard to the channel cross-section and the channel length, be made.
  • the heat shield element has a Side wall on, facing the hot gas wall in the direction the support structure is inclined.
  • the coolant outlet channel penetrates the side wall.
  • the coolant outlet channel can be done simply as a hole through the side wall be, wherein the interior with the formed by the gap Gap space is connected.
  • coolant may be due the pressure difference between the interior and the through The gap defined gap in a controlled manner exit the interior through the coolant outlet channel.
  • a sealing element between the side wall and the support structure attached.
  • the side wall in the direction of the support structure can at a releasably securing the heat shield element to the support structure provided a gap for thermo-mechanical reasons be, which can lead to unwanted refrigerant leaks. Therefore, it is particularly advantageous to use any column that an uncontrolled blowing out of coolant from the interior can lead to sealing by suitable sealing measures. This creates a tight connection between the Heat shield element and the support structure is provided.
  • the sealing element between the side wall and the supporting structure is a particularly simple but effective measure to to further reduce the coolant consumption.
  • the sealing element depending on the design additionally a damping function take over, so that the heat shield elements of the Heat shield assembly mechanically damped on the support structure are attached.
  • the interior of a heat shield element is a Impact cooling device assigned, so that the hot gas wall by means Impact cooling is coolable.
  • the impingement cooling is a particularly effective method of cooling the heat shield arrangement, wherein the coolant is in a plurality of discrete coolant jets perpendicular to the hot gas wall the hot gas wall bounces and the hot gas wall accordingly Cools efficiently from the inside.
  • the impact cooling device is characterized by a Variety of inlet channels for coolant formed in the support structure are introduced.
  • a Variety of inlet ducts for coolant formed in the support structure are introduced.
  • the support structure has in addition to the function to carry the heat shield assembly at the same time a coolant distribution function by the plurality inlet channels for the coolant entering the support structure are introduced.
  • the inlet channels can be used as holes be executed in the wall of the support structure.
  • the heat shield element made of a metal or a metal alloy. Offer for this in particular high-temperature metallic alloys on iron, chromium, nickel, or cobalt basis. As metals or metal alloys are well suited for a casting process, is the heat shield element advantageously as a Casting designed.
  • the heat shield assembly is in a particularly preferred embodiment suitable for use in a combustion chamber lining a combustion chamber.
  • a heat shield assembly provided combustion chamber is preferred as a combustion chamber of a gas turbine, in particular a stationary Gas turbine.
  • the gas turbine 1 has a compressor 2 for the combustion air, a combustion chamber 4 and a turbine 6 for driving a compressor 2 and a non-illustrated Generator or a working machine. These are the turbine 6 and the compressor 2 on a common, Turbine shaft 8, also referred to as a turbine runner, is arranged. with the generator or the working machine is connected, and mounted rotatably about its central axis 9 is.
  • the running in the manner of an annular combustion chamber combustion chamber 4 is with a number of burners 10 for combustion a liquid or gaseous fuel equipped.
  • the turbine 6 has a number of with the turbine shaft. 8 connected, rotatable blades 12.
  • the blades 12 are arranged in a ring on the turbine shaft 8 and thus form a number of blade rows.
  • the turbine 6 includes a number of stationary vanes 14, which is also coronal under the formation of Guide vane rows attached to an inner housing 16 of the turbine 6 are.
  • the blades 12 serve to drive the turbine shaft by momentum transfer from the turbine. 6 flowing through the hot medium, the working medium or the Hot gas M.
  • the guide vanes 14 serve to guide the flow of the working medium M between two in each case Flow direction of the working medium M seen consecutive Blades of blades or blades rims.
  • Turbine level One successive pair of a ring of vanes 14 or a vane 3 and a ring of blades 12 or a blade row is also called Turbine level called.
  • Each vane 14 has a so-called blade root Platform 18 on which is to fix the respective Guide vane 14 on the inner housing 16 of the turbine 6 as a wall element is arranged.
  • the platform 18 is a thermal comparatively heavily loaded component, the outer Limiting a hot gas channel for the turbine 6 flowing through working medium M forms.
  • Each blade 12 is in an analogous manner via a so-called blade root Platform 20 attached to the turbine shaft 8.
  • each guide ring 21 on the inner housing 16 of Turbine 6 is arranged between the spaced apart platforms 18 of the vanes 14 of two adjacent rows of vanes.
  • the outer surface of each guide ring 21 is also the hot, the turbine 6 flowing through Working medium M exposed and in the radial direction from the outer end 22 of the blade opposite it 12 spaced by a gap.
  • the between adjacent Guide blade rows arranged guide rings 21st serve in particular as cover elements that the inner wall 16 or other housing-mounted components before a thermal Overuse by the turbine 6 flowing through hot Working medium M, the hot gas, protects.
  • the combustion chamber 4 is bounded by a combustion chamber housing 29, wherein combustion chamber side a combustion chamber wall 24 is formed is.
  • the combustion chamber 4 as designed a so-called annular combustion chamber, in whose Variety of circumferentially around the turbine shaft 8 around arranged burners 10 in a common combustion chamber space lead.
  • the combustion chamber 4 in its entirety as annular structure which around the turbine shaft. 8 is positioned around.
  • the combustion chamber for a comparatively high temperature of Working medium M designed from about 1200 ° C to 1500 ° C.
  • a heat shield assembly 26 which forms a combustion chamber lining. Due to the high temperatures inside the combustion chamber 4 is also for the heat shield assembly 26 provided a cooling system.
  • the Cooling system is based on the principle of impingement cooling, in the cooling air as coolant K under sufficiently high Pressure at a variety of locations on the cooling component is blown vertically under its component surface under pressure.
  • the cooling system can also be based on the principle of convective cooling are based or this cooling principle in addition to the impact cooling make use of.
  • the cooling system with a simple construction, is a reliable, area-wide exposure of the heat shield arrangement with coolant K and also to a particularly low Coolant consumption designed.
  • the cooling concept 2 shows a heat shield arrangement of the invention 26, as for use as a heat-resistant lining a combustion chamber 4 of a gas turbine 1 particularly suitable is.
  • the heat shield assembly 26 includes heat shield elements 26A, 26B, the side by side leaving a gap 45 are arranged on a support structure 31.
  • the heat shield elements 26A, 26B have a hot gas wall to be cooled 39, the one facing the hot gas M and in the operation of the hot gas M acted upon hot side 35 and one of the hot side 35 opposite cold side 33 has.
  • the heat shield elements 26A, 26B of their Cold side 33 ago by a coolant K for example, cooling air, cooled, that between the heat shield elements 26A, 26B and the support structure 31 formed by suitable interior 37 Inlet channels 41, 41A, 41B, 41C is delivered and in a direction perpendicular to the cold side 33 of a respective Heat shield element 26A, 26B is passed.
  • a coolant K for example, cooling air
  • Inlet channels 41, 41A, 41B, 41C is delivered and in a direction perpendicular to the cold side 33 of a respective Heat shield element 26A, 26B is passed.
  • the Principle of open cooling used.
  • After completion of the Cooling task on the heat shield elements 26A, 26B is the at least partially heated air to the hot gas M admixed.
  • a coolant outlet channel 43 for a controlled discharge and a precise dosage of Coolant K from the interior 37 is a coolant outlet channel 43 provided, from the interior 37 into the gap 45 opens.
  • the gap 45 is a precisely predetermined Mass flow of coolant K deliverable.
  • the variety intake passages 41, 41A, 41B, 41C each having an interior space 37 of a respective heat shield element 26A, 26B assigned form a baffle device 53, so that the hot gas wall 39 is particularly effective by means of impingement cooling is coolable.
  • the inlet channels 41, 41A, 41B, 41C for the Coolant K are here by corresponding holes in introduced the wall 47 of the support structure.
  • the inlet channels 41, 41A, 41B, 41C open into the interior 37, that achieved a vertical admission of the hot gas wall 39 is.
  • Coolant K from the interior 37 in a controlled manner through the correspondingly dimensioned coolant outlet channel 43 in the gap 45, where a barrier effect against the hot gas M is achieved, which includes the critical components, such as the support structure 31, protects.
  • FIG. 3 shows an enlarged view of the detail III of the heat shield assembly shown in Figure 2.
  • the heat shield element 26A has a side wall 49 which opposite the hot gas wall 39 in the direction of the support structure 31 is inclined. That adjacent to the heat shield member 26A Heat shield element 26B is in the same way with a Sidewall 49 designed.
  • the coolant outlet channel 43 is as a bore through the side wall 43 of the heat shield element 26A executed, the side wall 43 under a oblique, slightly rising towards the hot side 35 Angle in the gap 45 opens.
  • the coolant K After performance a blocking effect in the gap 45, the gap 45 as possible under Forming a cooling film of coolant K along the hot side 35 of the heat shield element 26A adjacent heat shield element 26B leaves. Due to this additional film cooling effect, with the targeted supply of the coolant K in the gap 45 is reached, is advantageously a multiple use of the coolant K for different cooling purposes in the heat shield assembly 26.
  • the side walls 49 are not directly on the support structure 31, but are over a respective Sealing element 51 connected to the support structure 31.
  • the sealing elements 51 fulfill both a sealing function for the Coolant K as well as a mechanical damping function for the heat shield assembly 26.
  • the sealing element 51 is prevents coolant K in an uncontrolled manner reach the interior 37 in the gap 45 and blown in Direction of the hot side 35 can be. Rather, that causes Sealing member 51 an additional reduction in the need for Coolant K for cooling de heat shield assembly 26.
  • the sealing element 51 With the coolant outlet channel 43 becomes a particularly favorable coolant balance achieved.
  • the coolant outlet channel 43 extends through the wall 47 of the support structure 31. Also with this embodiment is a targeted Delivery of the coolant K into the gap 45 after operation the cooling task to a heat shield element 26A possible.
  • the gap 45 Limiting side walls 49 additionally convection cooled.

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

The heat shield for gas turbine combustion chambers comprises a series of tiles (26A, 26B) arranged side-by-side with gaps (45) between. These are mounted on a support plate (31) and enclose chambers (37) for cooling gas. The gaps between the plates form outlets (43) for coolant (K). Independent claims are included for: (a) combustion chambers fitted with the heat shield; and (b) gas turbines incorporating the combustion chamber.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hitzeschildanordnung für eine ein Heißgas führende Komponente, die eine Mehrzahl von unter Belassung eines Spalts nebeneinander an einer Tragstruktur angeordnete Hitzeschildelemente umfasst, wobei ein Hitzeschildelement auf der Tragstruktur anbringbar ist, so dass ein Innenraum gebildet ist, der bereichsweise von einer zu kühlenden Heißgaswand begrenzt ist, mit einem Einlasskanal zur Einströmung eines Kühlmittels in dem Innenraum. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkammer mit einer inneren Brennkammerauskleidung, die eine derartige Hitzeschildanordnung aufweist sowie eine Gasturbine mit einer derartigen Brennkammer.The invention relates to a heat shield assembly for a Hot gas leading component, leaving a majority of under a gap arranged side by side on a supporting structure Includes heat shield elements, wherein a heat shield element attachable to the support structure, leaving an interior space is formed, the area by area to be cooled Hot gas wall is limited, with an inlet channel for inflow a coolant in the interior. The invention further relates to a combustion chamber having an inner combustion liner, such a heat shield assembly has and a gas turbine with such a combustion chamber.

Aufgrund der in Heißgaskanälen oder anderen Heißgasräumen herrschenden hohen Temperaturen ist es erforderlich, die Innenwandung eines Heißgaskanales bestmöglichst temperaturresistent zu gestalten. Hierzu bieten sich zum einen hochwarmfeste Werkstoffe, wie z. B. Keramiken an. Der Nachteil keramischer Werkstoffe liegt sowohl in ihrer starken Sprödigkeit als auch in ihrem ungünstigen Wärme- und Temperaturleitverhalten. Als Alternative zu keramischen Werkstoffen für Hitzeschilde bieten sich hochwarmfeste metallische Legierungen auf Eisen-, Chrom-, Nickel- oder Kobaltbasis an. Da die Einsatztemperatur von hochwarmfesten Metalllegierungen aber deutlich unter der maximalen Einsatztemperatur von keramischen Werkstoffen liegt, ist es erforderlich, metallische Hitzeschilder in Heißgaskanälen zu kühlen.Due to in hot gas channels or other hot gas rooms Ruling high temperatures require the inner wall a Heißgaskanales best possible temperature resistant to design. For this purpose, on the one hand offer high-temperature resistant Materials, such. As ceramics. The disadvantage Ceramic materials is both in their strong brittleness as well as in their unfavorable thermal and thermal conductivity. As an alternative to ceramic materials for Heat shields offer high-temperature metallic alloys based on iron, chromium, nickel or cobalt. Because the Operating temperature of high-temperature metal alloys, however well below the maximum operating temperature of ceramic Materials, it is necessary metallic To cool heat shields in hot gas channels.

In der EP 0 224 817 B1 ist eine Hitzeschildanordnung, insbesondere für Strukturteile von Gasturbinenanlagen, beschrieben. Die Hitzeschildanordnung dient dem Schutz einer Tragstruktur gegenüber einem heißen Fluid, insbesondere zum Schutz einer Heißgaskanalwand bei Gasturbinenanlagen. Die Hitzeschildanordnung weist eine Innenauskleidung aus hitzebeständigem Material auf, welche flächendeckend zusammengesetzt ist aus an der Tragstruktur verankerten Hitzeschildelementen. Diese Hitzeschildelemente sind unter Belassung von Spalten zur Durchströmung von Kühlfluid nebeneinander angeordnet und wärmebeweglich. Jedes dieser Hitzeschildelemente weist nach Art eines Pilzes einen Hutteil und einen Schaftteil auf. Der Hutteil ist ein ebener oder räumlicher, polygonaler Plattenkörper mit geraden oder gekrümmten Berandungslinien. Der Schaftteil verbindet den Zentralbereich des Plattenkörpers mit der Tragstruktur. Der Hutteil hat vorzugsweise eine Dreiecksform, wodurch durch identische Hutteile eine Innenauskleidung nahezu beliebiger Geometrie herstellbar ist. Die Hutteile sowie gegebenenfalls sonstige Teile der Hitzeschildelemente bestehen aus einem hochwarmfesten Werkstoff, insbesondere aus einem Stahl. Die Tragstruktur weist Bohrungen auf durch welche ein Kühlfluid, insbesondere Luft, in einen Zwischenraum zwischen Hutteil und Tragstruktur einströmen kann und von dort durch die Spalte zur Durchströmung des Kühlfluids in einen von den Hitzeschildelementen umgebenen Raumbereich, beispielsweise einer Brennkammer einer Gasturbinenanlage, einströmen kann. Diese Kühlfluidströmung vermindert das Eindringen von heißem Gas in den Zwischenraum.In EP 0 224 817 B1 is a heat shield arrangement, in particular for structural parts of gas turbine plants, described. The heat shield assembly serves to protect a support structure towards a hot fluid, in particular to Protection of a hot gas duct wall in gas turbine plants. The Heat shield assembly has an inner lining made of heat-resistant Material on, which assembled nationwide is made of heat shield elements anchored to the support structure. These heat shield elements are under leave of Columns for the flow of cooling fluid arranged side by side and heat-mobile. Each of these heat shield elements has a hat part and a shaft part in the manner of a mushroom on. The hat part is a flat or spatial, polygonal Plate body with straight or curved boundary lines. The shank part connects the central area of the plate body with the supporting structure. The hat part has preferably a triangular shape, whereby by identical hat parts an inner lining can be produced almost any geometry. The hat parts and possibly other parts of the heat shield elements consist of a high temperature resistant material, especially from a steel. The support structure has holes through which a cooling fluid, in particular air, into a Gap in between space between hat and support structure can and from there through the column to flow through the Cooling fluid in a surrounded by the heat shield elements Room area, for example a combustion chamber of a gas turbine plant, can flow in. This cooling fluid flow is reduced the penetration of hot gas into the space.

In der US-5,216,886 ist eine metallische Auskleidung für eine Verbrennungskammer beschrieben. Diese Auskleidung besteht aus einer Vielzahl nebeneinander angeordneter würfelförmiger Hohlbauteile (Zellen), die an einer gemeinsamen Metallplatte angeschweißt oder angelötet sind. Die gemeinsame Metallplatte weist jeweils jeder würfelförmigen Zelle zugeordnet genau eine Öffnung zur Einströmung von Kühlfluid auf. Die würfelförmigen Zellen sind jeweils unter Belassung eines Spaltes nebeneinander angeordnet. Sie enthalten an jeder Seitenwand in der Nähe der gemeinsamen Metallplatte eine jeweilige Öffnung zum Ausströmen von Kühlfluid. Das Kühlfluid gelangt mithin in die Spalte zwischen benachbarte würfelförmige Zellen, strömt durch diese Spalte hindurch und bildet an einer einem Heißgas aussetzbaren, parallel der metallischen Platte gerichteten Oberfläche der Zellen, einen Kühlfilm aus. Bei dem in der US-5,216,886 beschriebenen Aufbau einer Wandstruktur wird ein offenes Kühlsystem definiert, bei dem Kühlluft über eine Wandstruktur durch die Zellen hindurch in das Innere der Brennkammer hineingelangt. Die Kühlluft ist mithin für weitere Kühlzwecke verloren.In US 5,216,886 is a metallic lining for a Combustion chamber described. This lining consists of a plurality of juxtaposed cube-shaped Hollow components (cells) attached to a common metal plate welded or soldered. The common metal plate assigns each cube-shaped cell associated with exactly one Opening for the inflow of cooling fluid. The cube-shaped Cells are each adjacent to each other leaving a gap arranged. They are included in every sidewall in near the common metal plate has a respective opening for the outflow of cooling fluid. The cooling fluid thus enters the gap between adjacent cube-shaped cells flows through this column and forms a hot gas at one exposable, parallel to the metallic plate directed Surface of the cells, a cooling film off. In the in the US-5,216,886 describes a structure of a wall structure is described defined open cooling system in which cooling air over a Wall structure through the cells into the interior of the Combustion chamber got into it. The cooling air is therefore for more Cooling lost.

In der DE 35 42 532 A1 ist eine Wand, insbesondere für Gasturbinenanlagen, beschrieben, die Kühlfluidkanäle aufweist. Die Wand ist vorzugsweise bei Gasturbinenanlagen zwischen einem Heißraum und einem Kühlfluidraum angeordnet. Sie ist aus einzelnen Wandelementen zusammengefügt, wobei jedes der Wandelemente ein aus hochwarmfesten Material gefertigter Plattenkörper ist. Jeder Plattenkörper weist über seine Grundfläche verteilte, zueinander parallele Kühlkanäle auf, die an einem Ende mit einem Kühlfluidraum und an dem anderen Ende mit dem Heißraum kommunizieren. Das in den Heißraum einströmende, durch die Kühlfluidkanäle geführte Kühlfluid bildet auf der dem Heißraum zugewandten Oberfläche des Wandelements und/oder benachbarter Wandelemente einen Kühlfluidfilm.In DE 35 42 532 A1 a wall, in particular for gas turbine plants, described having cooling fluid channels. The wall is preferably in gas turbine plants between a Hot room and a cooling fluid space arranged. she is off assembled together individual wall elements, wherein each of the wall elements a made of heat resistant material plate body is. Each plate body points over its base distributed, mutually parallel cooling channels on a End with a cooling fluid space and at the other end with the Hot room communicate. The inflowing into the hot room, through the cooling fluid channels guided cooling fluid forms on the the hot room facing surface of the wall element and / or adjacent wall elements a cooling fluid film.

In der GB-A-849255 ist ein Kühlsystem zur Kühlung einer Brennkammerwand gezeigt. Die Brennkammerwand ist durch Wandelemente gebildet. Jedes Wandelement weist eine Heißgaswand mit einer heißgas-beaufschlagbaren Außenseite und mit einer Innenseite auf. Senkrecht zur Innenseite sind Düsen angeordnet. Aus diesen Düsen tritt Kühlfluid in Form eines konzentrierten Stroms aus und trifft auf die Innenseite. Dadurch wird die Heißgaswand gekühlt. Das Kühlfluid wird in einer Sammelkammer gesammelt und aus der Sammelkammer abgeführt.In GB-A-849255 is a cooling system for cooling a Combustor wall shown. The combustion chamber wall is by wall elements educated. Each wall element has a hot gas wall with a hot gas-actable outside and with a Inside up. Perpendicular to the inside nozzles are arranged. From these nozzles occurs cooling fluid in the form of a concentrated Current and hits the inside. Thereby the hot gas wall is cooled. The cooling fluid is in a Collection chamber collected and discharged from the collection chamber.

Zusammenfassend liegt all diesen Hitzeschildanordnungen insbesondere für Gasturbinen-Brennkammern das Prinzip zugrunde, dass Verdichterluft als Kühlmedium für die Brennkammer und deren Auskleidung, sowie als Sperrluft benutzt wird. Die Kühl- und Sperrluft tritt in die Brennkammer ein, ohne an der Verbrennung teilgenommen zu haben. Diese kalte Luft vermischt sich mit dem Heißgas. Dadurch sinkt die Temperatur am Brennkammerausgang. Daher sinkt die Leistung der Gasturbine und der Wirkungsgrad des thermodynamischen Prozesses. Die Kompensation kann teilweise dadurch erfolgen, dass eine höhere Flammentemperatur eingestellt wird. Hierdurch jedoch ergeben sich sodann Werkstoffprobleme und es müssen höhere Emissionswerte in Kauf genommen werden. Ebenfalls nachteilig an den angegebenen Anordnungen ist es, dass sich durch den Eintritt eines nicht unerheblichen Kühlfluidmassenstroms in die Brennkammer bei der dem Brenner zugeführten Luft Druckverluste ergeben.In summary, all these heat shield arrangements in particular for gas turbine combustors based on the principle that compressor air as the cooling medium for the combustion chamber and whose lining is used as well as barrier air. The Cooling and sealing air enters the combustion chamber, without on the Burning participated. This cold air mixes with the hot gas. This reduces the temperature at the combustion chamber outlet. Therefore, the performance of the gas turbine and decreases the efficiency of the thermodynamic process. The compensation can be done partly by a higher Flame temperature is set. However, this results material problems and higher emission levels be accepted. Also disadvantageous to the specified arrangements it is that through the entrance a not inconsiderable cooling fluid mass flow into the combustion chamber result in the torch supplied air pressure losses.

Um jegliches Ausblasen von Kühlmittel in die Brennkammer zu verhindern, sind aufwendige Systeme mit Kühlfluidrückführung bekannt, bei denen das Kühlfluid in einem geschlossenen Kreislauf mit einem Zufuhrsystem und einem Rückfuhrsystem geführt wird. Solche geschlossenen Kühlungskonzepte mit Kühlfluidrückführung sind beispielsweise in der WO 98/13645 A1, der EP 0 928 396 B1 sowie der EP 1 005 620 B1 beschrieben.To allow any blowing out of coolant into the combustion chamber prevent are complex systems with cooling fluid recycling in which the cooling fluid in a closed Circuit with a supply system and a return system led becomes. Such closed cooling concepts with cooling fluid return are for example in WO 98/13645 A1, EP 0 928 396 B1 and EP 1 005 620 B1.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hitzeschildanordnung, die mit einem Kühlmittel kühlbar ist, anzugeben, so dass bei einer Kühlung der Hitzeschildanordnung allenfalls ein geringer Verlust an Kühlfluid auftritt. Die Hitzeschildanordnung soll in einer Brennkammer einer Gasturbine einsetzbar sein.The object of the invention is to provide a heat shield assembly, the Coolable with a coolant, specify so that at a Cooling of the heat shield assembly at most a smaller Loss of cooling fluid occurs. The heat shield assembly should be used in a combustion chamber of a gas turbine.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Hitzeschildanordnung für eine ein Heißgas führende Komponente, die eine Mehrzahl von unter Belassung eines Spalts nebeneinander an einer Tragstruktur angeordneten Hitzeschildelemente umfasst, wobei ein Hitzeschildelement auf der Tragstruktur anbringbar ist, so dass ein Innenraum gebildet ist, der bereichsweise von einer zu kühlenden Heißgaswand begrenzt ist, mit einem Einlasskanal zur Einströmung eines Kühlmittels in den Innenraum, wobei zum kontrollierten Austritt von Kühlmittel aus dem Innenraum ein Kühlmittelauslasskanal vorgesehen ist, der von dem Innenraum in den Spalt einmündet.This object is achieved by a heat shield assembly for a hot gas leading component, the a plurality of leaving a gap next to each other comprises heat shield elements arranged on a support structure, wherein a heat shield element on the support structure attachable, so that an interior is formed, the area is limited by a hot gas wall to be cooled, with an inlet channel for the inflow of a coolant in the interior, wherein the controlled exit of coolant provided from the interior of a coolant outlet is, which opens from the interior into the gap.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass aufgrund der sehr hohen Flammentemperaturen in Heißgaskanälen oder anderen Heißgasräumen, beispielsweise in Brennkammern von stationären Gasturbinen, die Heißgas führenden Komponenten aktiv gekühlt werden müssen. Hierzu können verschiedenste Kühlungstechnologien - auch in Kombination - eingesetzt werden. Die am häufigsten angewandten Kühlungskonzepte sind dabei die Konvektionskühlung, die Konvektionskühlung mit Turbulenz erhöhenden Maßnahmen sowie die Prallkühlung. Aufgrund der sehr intensiven Bemühungen insbesondere die Schadstoffemissionen von offen gekühlten Systemen, beispielsweise von offen gekühlten Brennkammern von Gasturbinen, zu reduzieren, ist die Einsparung von Kühlluft ein besonders wichtiger Faktor zur Erreichung dieser Ziele - hier eine verstärkte NOx-Reduktion. Das Ziel für offen gekühlte Kühlungskonzepte ist daher die Minimierung des erforderlichen Kühlluftmassenstroms. Bei den bereits weiter oben diskutierten herkömmlichen, offenen Kühlungskonzepten entweicht die Kühlluft nach der erfolgten Kühlaufgabe letztendlich durch den Spalt benachbarter Hitzeschildelemente, um anschließend in den Brennraum zu gelangen. Die Ausströmung der Kühlluft schützt das System vor Eindringen von Heißgas in die Spalte. Durch das unkontrollierte Ausblasen der Kühlluft wird jedoch mehr Kühlluft zum Sperren der Spalte eingesetzt, als für die Kühlaufgabe erforderlich ist. Diese Überdosierung führt zu einem überhöhten Kühlluftverbrauch mit nachteiligen Folgen für den gesamten Anlagenwirkungsgrad und die Schadstoffemissionen des das Heißgas erzeugende Verbrennungssystems.The invention is based on the consideration that due to the very high flame temperatures in hot gas ducts or other hot gas spaces, for example in combustion chambers of stationary gas turbines, the hot gas leading components must be actively cooled. For this purpose, a variety of cooling technologies - also in combination - can be used. The most commonly used cooling concepts are convection cooling, convection cooling with turbulence-increasing measures and impingement cooling. Due to the very intensive efforts, in particular, to reduce the pollutant emissions of open-cooled systems, for example of open-cooled combustors of gas turbines, the saving of cooling air is a particularly important factor in achieving these goals - here an increased NO x reduction. The goal for open-cooled cooling concepts is therefore to minimize the required cooling air mass flow. In the conventional, open cooling concepts already discussed above, the cooling air finally escapes through the gap of adjacent heat shield elements after the cooling task has ended, in order subsequently to reach the combustion chamber. The outflow of cooling air protects the system from hot gas entering the gap. The uncontrolled blowing out of the cooling air, however, more cooling air is used to lock the column, as required for the cooling task. This overdose results in excessive cooling air consumption with detrimental consequences for the overall system efficiency and pollutant emissions of the hot gas generating combustion system.

Ausgehend von dieser Erkenntnis wird nunmehr mit der Hitzeschildanordnung der Erfindung erstmals ein kontrollierter und gezielter Austritt des Kühlmittels nach Verrichtung der Kühlaufgabe an der zu kühlenden Heißgaswand für ein offenes Kühlsystem vorgeschlagen. Die Hitzeschildanordnung ist dabei besonders einfach realisierbar und gegenüber den geschlossenen Kühlungskonzepten mit Kühlmittelrückführung konstruktiv mit erheblich geringerem Fertigungsaufwand verbunden. Durch den kontrollierten Kühlmittelaustritt in den Spalt kann gegenüber den herkömmlichen Konzepten Kühlmittel, z. B. Kühlluft, eingespart werden sowie zugleich eine deutliche Reduzierung der Schadstoffemission bewirkt werden, insbesondere der NOx-Emission. Dies wird dadurch erzielt, dass zum kontrollierten Austritt von Kühlmittel aus dem Innenraum ein Kühlmittelauslasskanal vorgesehen ist, der von dem Innenraum in den Spalt einmündet.Based on this knowledge, a controlled and targeted discharge of the coolant after performing the cooling task on the hot gas wall to be cooled for an open cooling system is now proposed for the first time with the heat shield arrangement of the invention. The heat shield assembly is particularly easy to implement and compared to the closed cooling concepts with coolant return design associated with significantly lower manufacturing costs. Due to the controlled coolant outlet into the gap can be compared to the conventional concepts coolant, for. As cooling air, can be saved and at the same time a significant reduction in pollutant emissions are effected, in particular the NO x emission. This is achieved in that a coolant outlet channel is provided for the controlled exit of coolant from the interior, which opens from the interior into the gap.

Vorteilhafterweise wird hierdurch in dem Spalt durch die gezielte und dosierte Beaufschlagung des Spalts mit Kühlmittel eine besonders hohe Kühleffizienz und Sperrwirkung des Kühlmittels gegenüber einem Heißgasangriff in den Spalt auf die Tragstruktur erreicht. Der kontrollierte Austritt von Kühlmittel aus dem Innenraum kann dabei in einfacher Weise durch entsprechende Dimensionierung des Kühlmittelauslasskanals, beispielsweise hinsichtlich des Kanalquerschnitts und der Kanallänge, vorgenommen werden.Advantageously, this is in the gap by the targeted and metered admission of the gap with coolant a particularly high cooling efficiency and blocking effect of the coolant against a hot gas attack in the gap on the Support structure achieved. The controlled discharge of coolant from the interior can thereby in a simple manner appropriate dimensioning of the coolant outlet channel, for example, with regard to the channel cross-section and the channel length, be made.

In bevorzugter Ausgestaltung weist das Hitzeschildelement eine Seitenwand auf, die gegenüber der Heißgaswand in Richtung der Tragstruktur geneigt ist. Hierdurch ist das Hitzeschildelement in seiner Grundgeometrie als ein einschaliger Hohlkörper ausgebildet, der an der Tragstruktur anbringbar ist, wobei der Innenraum gebildet ist. Der Innenraum ist dabei in genau einer Richtung von der Tragstruktur und in den anderen Raumrichtungen durch das Hitzeschildelement selbst begrenzt bzw. festgelegt.In a preferred embodiment, the heat shield element has a Side wall on, facing the hot gas wall in the direction the support structure is inclined. This is the heat shield element in its basic geometry as a single-shell hollow body formed, which is attachable to the support structure, wherein the interior is formed. The interior is in exactly one direction from the support structure and in the other Spatial directions limited by the heat shield element itself or fixed.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung durchdringt der Kühlmittelauslasskanal die Seitenwand. Der Kühlmittelauslasskanal kann dabei einfach als Bohrung durch die Seitenwand ausgeführt sein, wobei der Innenraum mit dem durch den Spalt gebildeten Spaltraum verbunden ist. Somit kann Kühlmittel aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem Innenraum und dem durch den Spalt definierten Spaltraum in kontrollierter Weise aus dem Innenraum durch den Kühlmittelauslaufkanal austreten.In a particularly preferred embodiment, the coolant outlet channel penetrates the side wall. The coolant outlet channel can be done simply as a hole through the side wall be, wherein the interior with the formed by the gap Gap space is connected. Thus, coolant may be due the pressure difference between the interior and the through The gap defined gap in a controlled manner exit the interior through the coolant outlet channel.

Vorzugsweise ist zur Vermeidung von residualen Kühlmittelleckagen aus dem Innenraum ein Dichtelement zwischen der Seitenwand und der Tragstruktur angebracht. Durch die Neigung der Seitenwand in Richtung der Tragstruktur kann bei einer lösbaren Befestigung des Hitzeschildelements an der Tragstruktur aus thermomechanischen Gründen ein Spalt vorgesehen sein, der zu unerwünschten Kühlmittelleckagen führen kann. Daher ist es besonders vorteilhaft, jegliche Spalte, die zu einem unkontrollierten Ausblasen von Kühlmittel aus dem Innenraum führen können, durch geeignete Dichtungsmaßnahmen abzudichten. Hierdurch wird eine dichte Verbindung zwischen dem Hitzeschildelement und der Tragstruktur bereitgestellt ist. Das Dichtelement zwischen der Seitenwand und der Tragstruktur ist dabei eine besonders einfache aber wirksame Maßnahme, um den Kühlmittelverbrauch weiter zu reduzieren. Überdies kann das Dichtelement je nach Ausgestaltung zusätzlich eine Dämpfungsfunktion übernehmen, so dass die Hitzeschildelemente der Hitzeschildanordnung mechanisch gedämpft auf der Tragstruktur angebracht sind.Preferably, to avoid residual coolant leaks from the interior a sealing element between the side wall and the support structure attached. By the inclination the side wall in the direction of the support structure can at a releasably securing the heat shield element to the support structure provided a gap for thermo-mechanical reasons be, which can lead to unwanted refrigerant leaks. Therefore, it is particularly advantageous to use any column that an uncontrolled blowing out of coolant from the interior can lead to sealing by suitable sealing measures. This creates a tight connection between the Heat shield element and the support structure is provided. The sealing element between the side wall and the supporting structure is a particularly simple but effective measure to to further reduce the coolant consumption. Moreover, can the sealing element depending on the design additionally a damping function take over, so that the heat shield elements of the Heat shield assembly mechanically damped on the support structure are attached.

Bevorzugt ist dem Innenraum eines Hitzeschildelements eine Prallkühleinrichtung zugeordnet, so dass die Heißgaswand mittels Prallkühlung kühlbar ist. Die Prallkühlung ist dabei eine besonders wirkungsvolle Methode der Kühlung der Hitzeschildanordnung, wobei das Kühlmittel in einer Vielzahl von diskreten Kühlmittelstrahlen senkrecht zur Heißgaswand auf die Heißgaswand aufprallt und die Heißgaswand entsprechend vom Innenraum her effizient kühlt.Preferably, the interior of a heat shield element is a Impact cooling device assigned, so that the hot gas wall by means Impact cooling is coolable. The impingement cooling is a particularly effective method of cooling the heat shield arrangement, wherein the coolant is in a plurality of discrete coolant jets perpendicular to the hot gas wall the hot gas wall bounces and the hot gas wall accordingly Cools efficiently from the inside.

Vorzugsweise ist dabei die Prallkühleinrichtung durch eine Vielzahl von Einlasskanälen für Kühlmittel gebildet, die in die Tragstruktur eingebracht sind. Durch eine entsprechende Vielzahl von Einlasskanälen, die in einen Innenraum eines Hitzeschildelements münden, wird bereits auf einfacher Weise eine Prallkühleinrichtung realisiert. Die Tragstruktur hat neben der Funktion die Hitzeschildanordnung zu tragen zugleich eine Kühlmittelverteilungsfunktion durch die Vielzahl von Einlasskanälen für das Kühlmittel, die in die Tragstruktur eingebracht sind. Die Einlasskanäle können dabei als Bohrungen in der Wand der Tragstruktur ausgeführt sein.Preferably, the impact cooling device is characterized by a Variety of inlet channels for coolant formed in the support structure are introduced. By an appropriate Variety of inlet ducts that fit into an interior of a Heat shield element open, is already in a simple way implemented an impact cooling device. The support structure has in addition to the function to carry the heat shield assembly at the same time a coolant distribution function by the plurality inlet channels for the coolant entering the support structure are introduced. The inlet channels can be used as holes be executed in the wall of the support structure.

In bevorzugter Ausgestaltung besteht das Hitzeschildelement aus einem Metall oder aus einer Metalllegierung. Hierzu bieten sich insbesondere hochwarmfeste metallische Legierungen auf Eisen-, Chrom-, Nickel-, oder Kobaltbasis an. Da sich Metalle oder Metalllegierungen gut für einen Gießprozess eignen, ist das Hitzeschildelement vorteilhafterweise als ein Gussteil ausgestaltet.In a preferred embodiment, the heat shield element made of a metal or a metal alloy. Offer for this in particular high-temperature metallic alloys on iron, chromium, nickel, or cobalt basis. As metals or metal alloys are well suited for a casting process, is the heat shield element advantageously as a Casting designed.

Die Hitzeschildanordnung ist in besonders bevorzugter Ausgestaltung geeignet für den Einsatz bei einer Brennkammerauskleidung einer Brennkammer. Eine derartige mit einer Hitzeschildanordnung versehene Brennkammer eignet sich bevorzugt als Brennkammer einer Gasturbine, insbesondere einer stationären Gasturbine.The heat shield assembly is in a particularly preferred embodiment suitable for use in a combustion chamber lining a combustion chamber. Such with a heat shield assembly provided combustion chamber is preferred as a combustion chamber of a gas turbine, in particular a stationary Gas turbine.

Die Vorteile einer solchen Gasturbine und einer solchen Brennkammer ergeben sich entsprechend den obigen Ausführungen zur Hitzeschildanordnung.The advantages of such a gas turbine and such Combustion chamber arise in accordance with the above statements to the heat shield arrangement.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert.The invention will now be described by way of example with reference to the drawings explained in more detail.

Es zeigen hierbei schematisch und teilweise stark vereinfacht:

Figur 1
einen Halbschnitt durch eine Gasturbine,
Figur 2
eine Schnittansicht einer Hitzeschildanordnung gemäß der Erfindung,
Figur 3
in einer Detailansicht die Einzelheit III der in Figur 2 gezeigten Hitzeschildanordnung, und
Figur 4
eine alternative Ausgestaltung der in Figur 3 gezeigten Hitzeschildanordnung.
It shows here schematically and partly greatly simplified:
FIG. 1
a half-section through a gas turbine,
FIG. 2
a sectional view of a heat shield assembly according to the invention,
FIG. 3
in a detailed view of the detail III of the heat shield assembly shown in Figure 2, and
FIG. 4
an alternative embodiment of the heat shield assembly shown in Figure 3.

Gleiche Bezugszeichen haben in den einzelnen Figuren die gleiche Bedeutung.The same reference numerals have in the individual figures same meaning.

Die Gasturbine 1 gemäß Figur 1 weist einen Verdichter 2 für die Verbrennungsluft, eine Brennkammer 4 sowie eine Turbine 6 zum Antrieb eines Verdichters 2 und eines nicht näher dargestellten Generators oder eine 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.The gas turbine 1 according to FIG. 1 has a compressor 2 for the combustion air, a combustion chamber 4 and a turbine 6 for driving a compressor 2 and a non-illustrated Generator or a working machine. These are the turbine 6 and the compressor 2 on a common, Turbine shaft 8, also referred to as a turbine runner, is arranged. with the generator or the working machine is connected, and mounted rotatably about its central axis 9 is. The running in the manner of an annular combustion chamber combustion chamber 4 is with a number of burners 10 for combustion a liquid or gaseous fuel equipped.

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 durch Impulsübertrag vom die Turbine 6 durchströmenden heißen Medium, dem Arbeitsmedium oder dem Heißgas M. Die Leitschaufeln 14 dienen hingehen zur Strömungsführung des Arbeitsmediums M zwischen jeweils zwei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen aufeinanderfolgenden Laufschaufelreihen oder Laufschaufelkränzen. Ein aufeinander folgendes Paar aus einem Kranz von Leitschaufeln 14 oder einer Leitschaufel 3 und aus einem Kranz von Laufschaufeln 12 oder einer Laufschaufelreihe wird dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet.The turbine 6 has a number of with the turbine shaft. 8 connected, rotatable blades 12. The blades 12 are arranged in a ring on the turbine shaft 8 and thus form a number of blade rows. Farther The turbine 6 includes a number of stationary vanes 14, which is also coronal under the formation of Guide vane rows attached to an inner housing 16 of the turbine 6 are. The blades 12 serve to drive the turbine shaft by momentum transfer from the turbine. 6 flowing through the hot medium, the working medium or the Hot gas M. The guide vanes 14 serve to guide the flow of the working medium M between two in each case Flow direction of the working medium M seen consecutive Blades of blades or blades rims. One successive pair of a ring of vanes 14 or a vane 3 and a ring of blades 12 or a blade row is also called Turbine level called.

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 Heißgaskanals 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.Each vane 14 has a so-called blade root Platform 18 on which is to fix the respective Guide vane 14 on the inner housing 16 of the turbine 6 as a wall element is arranged. The platform 18 is a thermal comparatively heavily loaded component, the outer Limiting a hot gas channel for the turbine 6 flowing through working medium M forms. Each blade 12 is in an analogous manner via a so-called blade root Platform 20 attached to the turbine shaft 8.

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 gegenüberliegenden 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, dem Heißgas, schützt.Between the spaced apart platforms 18 of the vanes 14 of two adjacent rows of vanes is in each case a guide ring 21 on the inner housing 16 of Turbine 6 arranged. The outer surface of each guide ring 21 is also the hot, the turbine 6 flowing through Working medium M exposed and in the radial direction from the outer end 22 of the blade opposite it 12 spaced by a gap. The between adjacent Guide blade rows arranged guide rings 21st serve in particular as cover elements that the inner wall 16 or other housing-mounted components before a thermal Overuse by the turbine 6 flowing through hot Working medium M, the hot gas, protects.

Die Brennkammer 4 ist von einem Brennkammergehäuse 29 begrenzt, wobei brennkammerseitig eine Brennkammerwand 24 gebildet ist. Im Ausführungsbeispiel ist die Brennkammer 4 als eine so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei deren Vielzahl von in Umfangsrichtung um die Turbinenwelle 8 herum angeordneten Brennern 10 in einem gemeinsamen Brennkammerraum münden. Dazu ist die Brennkammer 4 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Turbinenwelle 8 herum positioniert ist. The combustion chamber 4 is bounded by a combustion chamber housing 29, wherein combustion chamber side a combustion chamber wall 24 is formed is. In the exemplary embodiment, the combustion chamber 4 as designed a so-called annular combustion chamber, in whose Variety of circumferentially around the turbine shaft 8 around arranged burners 10 in a common combustion chamber space lead. For this purpose, the combustion chamber 4 in its entirety as annular structure which around the turbine shaft. 8 is positioned around.

Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 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 Hitzeschildanordnung 26 versehen, die eine Brennkammerauskleidung bildet. Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 4 ist zudem für die Hitzeschildanordnung 26 ein Kühlsystem vorgesehen. Das Kühlsystem basiert dabei auf dem Prinzip der Prallkühlung, bei dem Kühlluft als Kühlmittel K unter ausreichend hohem Druck an einer Vielzahl von Stellen an das kühlende Bauteil senkrecht seiner Bauteiloberfläche unter Druck geblasen wird. Alternativ kann das Kühlsystem auch auf dem Prinzip einer konvektiven Kühlung basieren oder sich dieses Kühlungsprinzip zusätzlich neben der Prallkühlung zunutze machen.To achieve a comparatively high efficiency the combustion chamber for a comparatively high temperature of Working medium M designed from about 1200 ° C to 1500 ° C. Around even with these, for the materials unfavorable operating parameters to allow a comparatively long service life is the combustion chamber wall 24 on the working medium M facing side provided with a heat shield assembly 26, which forms a combustion chamber lining. Due to the high temperatures inside the combustion chamber 4 is also for the heat shield assembly 26 provided a cooling system. The Cooling system is based on the principle of impingement cooling, in the cooling air as coolant K under sufficiently high Pressure at a variety of locations on the cooling component is blown vertically under its component surface under pressure. Alternatively, the cooling system can also be based on the principle of convective cooling are based or this cooling principle in addition to the impact cooling make use of.

Das Kühlsystem ist bei einem einfachen Aufbau für eine zuverlässige, flächendeckende Beaufschlagung der Hitzeschildanordnung mit Kühlmittel K und zudem zu einem besonders geringen Kühlmittelverbrauch ausgelegt.The cooling system, with a simple construction, is a reliable, area-wide exposure of the heat shield arrangement with coolant K and also to a particularly low Coolant consumption designed.

Zur näheren Illustration und zur Erläuterung des Kühlungskonzepts der Erfindung zeigt Figur 2 eine Hitzeschildanordnung 26, wie sie für den Einsatz als hitzebeständige Auskleidung einer Brennkammer 4 einer Gasturbine 1 besonders geeignet ist. Die Hitzeschildanordnung 26 umfasst Hitzeschildelemente 26A, 26B, die unter Belassung eines Spalts 45 nebeneinander an einer Tragstruktur 31 angeordnet sind. Die Hitzeschildelemente 26A, 26B weisen eine zu kühlende Heißgaswand 39 auf, die eine dem Heißgas M zugewandte und im Betrieb von dem Heißgas M beaufschlagte Heißseite 35 sowie eine der Heißseite 35 gegenüberliegende Kaltseite 33 aufweist.For a more detailed illustration and explanation of the cooling concept 2 shows a heat shield arrangement of the invention 26, as for use as a heat-resistant lining a combustion chamber 4 of a gas turbine 1 particularly suitable is. The heat shield assembly 26 includes heat shield elements 26A, 26B, the side by side leaving a gap 45 are arranged on a support structure 31. The heat shield elements 26A, 26B have a hot gas wall to be cooled 39, the one facing the hot gas M and in the operation of the hot gas M acted upon hot side 35 and one of the hot side 35 opposite cold side 33 has.

Zur Kühlung werden die Hitzeschildelemente 26A, 26B von ihrer Kaltseite 33 her durch ein Kühlmittel K, beispielsweise Kühlluft, gekühlt, die dem zwischen den Hitzeschildelementen 26A, 26B und der Tragstruktur 31 gebildeten Innenraum 37 durch geeignete Einlasskanäle 41, 41A, 41B, 41C zugestellt wird und in eine Richtung senkrecht zur Kaltseite 33 eines jeweiligen Hitzeschildelements 26A, 26B geleitet wird. Hierbei wird das Prinzip der offenen Kühlung verwendet. Nach Abschluss der Kühlaufgabe an den Hitzeschildelementen 26A, 26B wird die zumindest teilweise erwärmte Luft dem Heißgas M zugemischt. Für einen kontrollierten Austritt und eine präzise Dosierung von Kühlmittel K aus dem Innenraum 37 ist ein Kühlmittelauslasskanal 43 vorgesehen, der von dem Innenraum 37 in den Spalt 45 einmündet. Auf diese Weise ist dem Spalt 45 ein genau vorbestimmter Massenstrom an Kühlmittel K zustellbar. Die Vielzahl von Einlasskanälen 41, 41A, 41B, 41C, die jeweils einem Innenraum 37 eines jeweiligen Hitzeschildelements 26A, 26B zugeordnet sind, bilden eine Prallkühleinrichtung 53, so dass die Heißgaswand 39 besonders effektiv mittels Prallkühlung kühlbar ist. Die Einlasskanäle 41, 41A, 41B, 41C für das Kühlmittel K sind hierbei durch entsprechende Bohrungen in die Wand 47 der Tragstruktur eingebracht. Die Einlasskanäle 41, 41A, 41B, 41C münden dabei so in den Innenraum 37, dass eine senkrechte Beaufschlagung der Heißgaswand 39 erreicht ist. Nach der Prallkühlung der Heißgaswand 39 strömt das Kühlmittel K aus dem Innenraum 37 in kontrollierter Weise durch den entsprechend dimensionierten Kühlmittelauslasskanal 43 in den Spalt 45, wo eine Sperrwirkung gegenüber dem Heißgas M erzielt wird, die die kritische Komponenten, wie beispielsweise die Tragstruktur 31, schützt.For cooling, the heat shield elements 26A, 26B of their Cold side 33 ago by a coolant K, for example, cooling air, cooled, that between the heat shield elements 26A, 26B and the support structure 31 formed by suitable interior 37 Inlet channels 41, 41A, 41B, 41C is delivered and in a direction perpendicular to the cold side 33 of a respective Heat shield element 26A, 26B is passed. Here is the Principle of open cooling used. After completion of the Cooling task on the heat shield elements 26A, 26B is the at least partially heated air to the hot gas M admixed. For a controlled discharge and a precise dosage of Coolant K from the interior 37 is a coolant outlet channel 43 provided, from the interior 37 into the gap 45 opens. In this way, the gap 45 is a precisely predetermined Mass flow of coolant K deliverable. The variety intake passages 41, 41A, 41B, 41C each having an interior space 37 of a respective heat shield element 26A, 26B assigned form a baffle device 53, so that the hot gas wall 39 is particularly effective by means of impingement cooling is coolable. The inlet channels 41, 41A, 41B, 41C for the Coolant K are here by corresponding holes in introduced the wall 47 of the support structure. The inlet channels 41, 41A, 41B, 41C open into the interior 37, that achieved a vertical admission of the hot gas wall 39 is. After the impingement cooling of the hot gas wall 39 flows Coolant K from the interior 37 in a controlled manner through the correspondingly dimensioned coolant outlet channel 43 in the gap 45, where a barrier effect against the hot gas M is achieved, which includes the critical components, such as the support structure 31, protects.

Figur 3 zeigt in einer vergrößerten Darstellung die Einzelheit III der in Figur 2 dargestellten Hitzeschildanordnung. Das Hitzeschildelement 26A weist eine Seitenwand 49 auf, die gegenüber der Heißgaswand 39 in Richtung der Tragstruktur 31 geneigt ist. Das zum Hitzeschildelement 26A benachbart angeordnete Hitzeschildelement 26B ist in gleicher Weise mit einer Seitenwand 49 ausgestaltet. Der Kühlmittelauslasskanal 43 ist als Bohrung durch die Seitenwand 43 des Hitzeschildelements 26A ausgeführt, die die Seitenwand 43 unter einem schrägen, leicht in Richtung der Heißseite 35 ansteigenden Winkel in den Spalt 45 einmündet. Durch die schräge Einmündung wird erreicht, dass das Kühlmittel K nach Verrichtung einer Sperrwirkung im Spalt 45 den Spalt 45 möglichst unter Ausbildung eines Kühlfilms aus Kühlmittel K entlang der Heißseite 35 des zum Hitzeschildelement 26A benachbarten Hitzeschildelement 26B verlässt. Durch diese zusätzliche Filmkühlwirkung, die mit der gezielten Zufuhr des Kühlmittels K in den Spalt 45 erreicht ist, ist vorteilhafterweise eine Mehrfachnutzung des Kühlmittels K für unterschiedliche Kühlzwecke in der Hitzeschildanordnung 26 gegeben.FIG. 3 shows an enlarged view of the detail III of the heat shield assembly shown in Figure 2. The heat shield element 26A has a side wall 49 which opposite the hot gas wall 39 in the direction of the support structure 31 is inclined. That adjacent to the heat shield member 26A Heat shield element 26B is in the same way with a Sidewall 49 designed. The coolant outlet channel 43 is as a bore through the side wall 43 of the heat shield element 26A executed, the side wall 43 under a oblique, slightly rising towards the hot side 35 Angle in the gap 45 opens. Through the sloping junction is achieved that the coolant K after performance a blocking effect in the gap 45, the gap 45 as possible under Forming a cooling film of coolant K along the hot side 35 of the heat shield element 26A adjacent heat shield element 26B leaves. Due to this additional film cooling effect, with the targeted supply of the coolant K in the gap 45 is reached, is advantageously a multiple use of the coolant K for different cooling purposes in the heat shield assembly 26.

Für eine wärmedehnungstolerante Befestigung der Hitzeschildelemente 26A, 26B liegen die Seitenwände 49 nicht direkt auf der Tragstruktur 31 auf, sondern sind über ein jeweiliges Dichtelement 51 mit der Tragstruktur 31 verbunden. Die Dichtelemente 51 erfüllen dabei sowohl eine Dichtfunktion für das Kühlmittel K als auch eine mechanische Dämpfungsfunktion für die Hitzeschildanordnung 26. Durch das Dichtelement 51 wird verhindert, dass Kühlmittel K in unkontrollierter Weise aus dem Innenraum 37 in den Spalt 45 gelangen und ausgeblasen in Richtung der Heißseite 35 werden kann. Vielmehr bewirkt das Dichtelement 51 eine zusätzliche Verringerung des Bedarfs an Kühlmittel K zur Kühlung de Hitzeschildanordnung 26. Durch die Kombination des Dichtelements 51 mit dem Kühlmittelauslasskanal 43 wird eine besonders günstige Kühlmittelbilanz erzielt. Weiterhin wird eine Längsunterströmung entlang der dem Innenraum 37 zugewandten Wand 47 der Tragstruktur 31 durch die jeweils am Innenraum 37 zugeordneten Dichtelemente 51 erreicht. Die dichte Verbindung zwischen dem Hitzeschildelement 26A, 26B und der Tragstruktur 31 über die Dichtelemente 51 ist eine besonders einfache und wirksame Maßnahme, den Kühlmittelverbrauch weiter zu reduzieren.For a heat-expansion-tolerant attachment of the heat shield elements 26A, 26B, the side walls 49 are not directly on the support structure 31, but are over a respective Sealing element 51 connected to the support structure 31. The sealing elements 51 fulfill both a sealing function for the Coolant K as well as a mechanical damping function for the heat shield assembly 26. By the sealing element 51 is prevents coolant K in an uncontrolled manner reach the interior 37 in the gap 45 and blown in Direction of the hot side 35 can be. Rather, that causes Sealing member 51 an additional reduction in the need for Coolant K for cooling de heat shield assembly 26. By the combination of the sealing element 51 with the coolant outlet channel 43 becomes a particularly favorable coolant balance achieved. Furthermore, a longitudinal underflow along the the interior 37 facing wall 47 of the support structure 31st through the respectively associated with the interior 37 sealing elements 51 reached. The tight connection between the heat shield element 26A, 26B and the support structure 31 via the sealing elements 51 is a particularly simple and effective measure to further reduce the coolant consumption.

Es ist auch möglich, wenn auch fertigungstechnisch aufwendiger, - wie in Figur 4 dargestellt -, dass sich der Kühlmittelauslasskanal 43 durch die Wand 47 der Tragstruktur 31 erstreckt. Auch mit dieser Ausführungsform ist eine gezielte Zustellung des Kühlmittels K in den Spalt 45 nach Verrichtung der Kühlaufgabe an einen Hitzeschildelement 26A möglich. Der Spalt 45 und die den Spalt 45 in der Nähe der Mündung des Kühlmittelauslasskanals 43 begrenzenden Dichtelemente 51 werden hierdurch gekühlt. Insbesondere werden die den Spalt 45 begrenzenden Seitenwände 49 zusätzlich konvektiv gekühlt.It is also possible, although technically more complex, - As shown in Figure 4 - that the coolant outlet channel 43 extends through the wall 47 of the support structure 31. Also with this embodiment is a targeted Delivery of the coolant K into the gap 45 after operation the cooling task to a heat shield element 26A possible. Of the Gap 45 and the gap 45 near the mouth of the Kühlmittelauslasskanals 43 bounding sealing elements 51 cooled thereby. In particular, the gap 45 Limiting side walls 49 additionally convection cooled.

Claims (9)

Hitzeschildanordnung (26) für eine ein Heißgas (M) führende Komponente, die eine Mehrzahl von unter Belassung eines Spalts (45) nebeneinander an einer Tragstruktur (31) angeordneten Hitzeschildelemente (26A, 26B) umfasst, wobei ein Hitzeschildelement (26A, 26B) auf der Tragstruktur (31) anbringbar ist, so dass ein Innenraum (37) gebildet ist, der bereichsweise von einer zu kühlenden Heißgaswand (39) begrenzt ist, mit einem Einlaßkanal (41) zur Einströmung eines Kühlmittels (K) in den Innenraum (37),
dadurch gekennzeichnet, dass zum kontrollierten Austritt von Kühlmittel (K) aus dem Innenraum (37) ein Kühlmittelauslasskanal (43) vorgesehen ist, der von dem Innenraum (37) in den Spalt (45) einmündet.A heat shield assembly (26) for a hot gas (M) component comprising a plurality of heat shield elements (26A, 26B) juxtaposed to a support structure (31) leaving a gap (45), wherein a heat shield member (26A, 26B) the support structure (31) is attachable, so that an interior space (37) is formed which is partially bounded by a hot gas wall (39) to be cooled, with an inlet channel (41) for the inflow of a coolant (K) into the interior space (37). .
characterized in that for controlled discharge of coolant (K) from the interior (37), a coolant outlet channel (43) is provided, which opens from the interior (37) into the gap (45). Hitzeschildanordnung (26) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das Hitzeschildelement (26A, 26B) eine Seitenwand (49) aufweist, die gegenüber der Heißgaswand (39) in Richtung der Tragstruktur (31) geneigt ist.A heat shield assembly (26) according to claim 1,
characterized in that the heat shield element (26A, 26B) has a side wall (49) which is inclined with respect to the hot gas wall (39) in the direction of the support structure (31). Hitzeschildanordnung (26) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelauslasskanal (43) die Seitenwand (49) durchdringt.Heat shield arrangement (26) according to claim 2,
characterized in that the coolant outlet channel (43) penetrates the side wall (49). Hitzeschildanordnung (26) nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von residualen Kühlmittelleckagen aus dem Innenraum (37) ein Dichtelement (51) zwischen der Seitenwand (49) und der Tragstruktur (31) angebracht ist.Heat shield arrangement (26) according to claim 2 or 3,
characterized in that in order to avoid residual coolant leaks from the interior (37) a sealing element (51) between the side wall (49) and the support structure (31) is mounted. Hitzeschildanordnung (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass dem Innenraum (37) eines Hitzeschildelements (26A, 26B) eine Prallkühleinrichtung (53) zugeordnet ist, so dass die Heisgaswand (39) mittels Prallkühlung kühlbar ist.Heat shield arrangement (26) according to one of the preceding claims,
characterized in that the interior (37) of a heat shield element (26A, 26B) is associated with a baffle cooling device (53), so that the hot gas wall (39) can be cooled by means of impingement cooling. Hitzeschildanordnung (26) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Prallkühleinrichtung (53) durch eine Vielzahl von Einlasskanälen (41, 41A, 41B, 41C) für Kühlmittel (K) gebildet ist, die in die Tragstruktur (31) eingebracht sind.Heat shield arrangement (26) according to claim 5,
characterized in that the impingement cooling means (53) is formed by a plurality of inlet passages (41, 41A, 41B, 41C) for cooling means (K) incorporated in the support structure (31). Hitzeschildanordnung (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Hitzeschildelement (26A, 26B) aus einem Metall oder einer Metalllegierung besteht.Heat shield arrangement (26) according to one of the preceding claims,
characterized in that the heat shield element (26A, 26B) consists of a metal or a metal alloy. Brennkammer (4) mit einer Hitzeschildanordnung (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Combustion chamber (4) with a heat shield assembly (26) according to one of the preceding claims. Gasturbine (1) mit einer Brennkammer (4) nach Anspruch 8.Gas turbine (1) with a combustion chamber (4) according to claim 8.
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