EP1507117A1 - Combustion chamber, in particular gas turbine combustion chamber - Google Patents
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- EP1507117A1 EP1507117A1 EP03018416A EP03018416A EP1507117A1 EP 1507117 A1 EP1507117 A1 EP 1507117A1 EP 03018416 A EP03018416 A EP 03018416A EP 03018416 A EP03018416 A EP 03018416A EP 1507117 A1 EP1507117 A1 EP 1507117A1
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- fastening bolt
- bolt
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- 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
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- F23M5/00—Casings; Linings; Walls
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- 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
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- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/007—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel constructed mainly of ceramic components
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- F23M2900/00—Special features of, or arrangements for combustion chambers
- F23M2900/05004—Special materials for walls or lining
Definitions
- the invention relates to a combustion chamber for a gas turbine, the combustion chamber wall inside a number of heat shield bricks which essentially covers the whole area arranged side by side and attached to a support structure are, each heat shield brick facing the support structure Cold side and one of the cold side opposite, having a hot medium acted upon hot side.
- Such a combustion chamber with a combustion chamber lining goes For example, from DE-A 362 50 56.
- Such heat shield reinforced Support structures are used in a variety of ways, For example, as a flame tubes or hot gas channels in Incineration plants such. B. gas turbine plants. Appropriate heat shield reinforced supporting structures emerge DE 117 37 34, DE 252 34 49 C3 and the DE 362 50 56 A1.
- the heat-resistant Combustion lining made of profiled Stones having grooved flanks, wherein every stone between at least two holders, in the grooves engage, is clamped.
- the holders have tabs on, under the paved stone on the support structure rest and are firmly connected to this.
- the stones are provided with bevelled flanks and lie directly on the front of thermal stress to be protected supporting structure. They are attached with metallic Brackets of trapezoidal cross section, the inserted in V-shaped column between two stones and by means of screws or the like against the support structure be tense.
- the heat shield Although according to DE 362 50 56 A1 does not involve any danger by undercurrent, since the heat shield forming stones lie directly on the support structure; the metallic one Fasteners of the heat shield are however immediate exposed to the hot fluid and limit the thermal Resilience of the heat shield, or require special Cooling measures.
- EP 0 558 540 B1 Another type of lining of a thermally highly loaded Combustion chamber is specified in EP 0 558 540 B1.
- a heat shield is disclosed on a support structure which Heat shield has a variety of stones, which are essentially areally arranged side by side and with metallic holders are attached to the support structure, wherein each stone has a cold side resting on the supporting structure, one of the support structure facing away from the hot side and at least has two flanks, each of which is the cold side with the Hot side connects and their each assigned at least one holder is that the flanks with a grip tab at least partially overlaps.
- each holder on a fastening tab which is approximately at right angles to the Gripping tab is aligned is fastened in a groove.
- the invention is based on the observation that the above ceramic heat shields due to their necessary Flexibility in terms of thermal expansion often insufficient for mechanical loads, such as shocks and vibrations, are secured. Furthermore, when using the heat shield stones in a combustion chamber for lining a combustion chamber wall during assembly or Maintenance work takes a considerable amount of time due to the difficult to access attachment to record.
- the invention is therefore the object of a Indicate combustion chamber for a gas turbine, which improved Having heat shields, especially against the above requirements of higher operational safety guaranteed with less maintenance.
- Another The object of the invention is to specify a gas turbine with a such combustion chamber.
- the task directed to a combustion chamber is according to the invention solved by a combustion chamber for a gas turbine, whose Combustor wall inside a number of heat shield bricks which, in essence, cover each other side by side arranged and attached to a support structure, each heat shield brick facing the support structure Cold side and one of the cold side opposite, with a has hot medium acted upon hot side, wherein a Heat shield stone and a neighboring heat shield stone by at least one common fastening bolt on the Support structure are attached.
- the risk of detachment from Fragments from a heat shield stone, in particular from a ceramic material is significantly reduced.
- the mountability and the Disassembly of individual heat shield stones on the Support structure greatly facilitated what for Service business is of great importance.
- proposed attachment concept is a heat shield brick and an adjacent heat shield brick by at least a common fastening bolt on the support structure attached.
- a single fixing bolt attached and at the same time ensures at least two heat shields, namely a heat shield stone and a neighboring one Heat shield block.
- the combustion chamber with a such lining of heat shield stones can at least operated with the usual maintenance cycles, but In addition, an extension of the service life due to the increased passive safety is achievable.
- the heat shield stones each designed as a polygon, with a common Mounting bolt is positioned at a corner.
- the polygon geometry is a nationwide lining the combustion chamber with heat shield stones possible, in one Corner a plurality of heat shield stones border each other and thus are arranged adjacent to each other.
- the Common mounting bolts on a corner can be a bolt at the same time a large number of adjacent heat shield stones attach the support structure in the desired position and hold.
- the heat shield stones thereby designed as triangles or squares, the by a common fastening bolt positioned at a corner attached to the support structure.
- a fixing bolt which is arranged at a corner is four at the same time Heat shield elements in the corner adjacent to each other are arranged secure.
- the corner fastening of heat shield stones with a respective fastening bolt is included particularly advantageous in terms of ease of installation or disassembly, at the same time before falling out possible fragments, especially in comparison to the already discussed, known clamp fasteners.
- Heat shield stones in the form of triangles are also special favorable for an area-wide lining of the combustion chamber with one in the corners of the heat shield stones positioned fastening bolts.
- equilateral Triangles are related to a sixfold rotational symmetry realized on a vertex, that is with a Fastening bolts are at the same time six adjacent Heat shield stones attached and permanently in operation secured.
- a heat shield stone of Mounting bolts accessible and detachable from the hot side.
- a heat shield brick from inside the firebox room by detachment of the fastening bolt or a corresponding Number of fixing bolts securing the heat shield brick be replaced.
- the fastening bolt preferably has a in axial direction of the mounting bolt normal to the hot side in cross section widening bolt head, preferably with a Pickup for a mounting tool, on.
- the Cross-section expanding bolt head is one Fail-safe for by means of the fastening bolt Given the supporting structure attached heat shield bricks.
- the widening cross section of the Bolt head for increased passive safety in case a crack or fracture of a heat shield stone, for example, as a result of a shock load.
- the cross section and the course of the expanding bolt head one can be expected to the Loading situation of the heat shield block in the combustion chamber adapted constructive design of the fastening bolt and the heat shield bricks to be attached are realized.
- So is preferably in the mounted state of the bolt head in corresponding recesses of adjacent heat shield stones lowered.
- the corresponding recesses of adjacent Heat shield stones complement each other to a closed, For example, in cross-section circular, recess in the the bolt head is lowered.
- the countersunk bolt head preferably closes flush with the Hot side surface of heat shield stones. This will a flat surface through the area-wide arranged side by side and attached to the support structure heat shield stones realized what the flow guidance properties of Hot gas and the heat protection function of the heat shield stones realized heat shield again increased.
- the fastening bolt a conical or truncated cone designed bolt head on.
- the cone shape is in view to the simple production of fastening bolts especially advantageous since lathes are used here can.
- the conical shape or truncated cone shape is due to the Symmetry of the conical surface also with regard to Load distribution due to the holding forces of the bolt head especially against the heat shield stone to be kept Cheap.
- the fastening bolt is made of metal. Come here High temperature resistant materials such as high temperature resistant Steels or metal alloys on nickel or Cobalt base, in question.
- the fastening bolt against a spring force in slidable axial direction of the fastening bolt is displaceable.
- the anchoring is preferably carried out the inner lining of the combustion chamber facing away from the wall Supporting structure.
- the support structure has at least one Wall on, through which at least one end portion of the Extending bolt extends.
- a spring element preferably a compression spring.
- the compression spring the end portion of the fastening bolt surrounds.
- a holding element at the end portion of the fastening bolt arranged a holding element, wherein the holding element is an abutment forms for the spring element.
- the object directed to a gas turbine is achieved according to the invention solved by a gas turbine with a combustion chamber, the Having heat shield stones, according to the above are attached.
- the gas turbine 1 has a compressor 2 for Combustion air, a combustion chamber 4, and a turbine 6 for driving the compressor 2 and a non-illustrated Generator and a working machine.
- the running in the manner of an annular combustion chamber combustion chamber 4 is with a number of burners for combustion a liquid or gaseous fuel equipped.
- the Turbine 6 has a number of connected to the turbine shaft 8, rotatable blades 12 on.
- 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 Vanes rows on an inner housing 16 of the turbines are attached.
- the blades 12 serve to drive the turbine shaft by momentum transfer from the turbine. 6 flowing through hot medium, the working medium M.
- Die Guide vanes 14, however, serve to guide the flow of the Working medium M between two each in the flow direction the working medium M, z.
- As the hot gas seen successive blade rows or Rotor blade rings.
- a successive pair of one Wreath of vanes 14 or a row of vanes and from a wreath blades 12 or a row of blades is also referred to as a turbine stage.
- 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 of the turbine 6 as a wall element is arranged.
- the platform 18 is a thermal comparatively heavily loaded component, which is the outer boundary a hot gas channel for the turbine 6 flowing through Working medium M forms.
- Each blade 12 is in 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 the turbine. 6 arranged.
- the outer surface of each guide ring 21 is while also the hot, the turbine 6 flowing through the working medium M exposed and in the radial direction from the outside End of the blade 12 opposite him by a Gap spaced.
- the between adjacent vane rows arranged guide rings 21 serve in particular as cover elements, the inner wall 16 or other housings - single board parts - before a thermal Overuse by the turbine 6 flowing through hot working medium M protects.
- the combustion chamber 4 is of a combustion chamber housing 29 limited, wherein combustion chamber side a combustion chamber wall 24 is formed.
- combustion chamber 4 as a so-called annular combustion chamber designed in which a variety of circumferentially order the turbine shaft 8 around arranged burners 10 in one common combustion chamber space open.
- combustion chamber 4 configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the turbine shaft 8 around.
- the combustion chamber 4 for comparatively high hot gas temperatures the working medium M of about 1200 ° C to 1500 ° C designed. Even with these, unfavorable for the materials Operating conditions a comparatively long service life to allow the combustion chamber wall 24 is on its the working medium M facing side with one of heat shield stones 26 provided combustion chamber lining provided.
- the Heat shield elements 26 are suitable over - in the Figure 1 not shown fastening means - on the Combustion chamber wall 24 attached.
- FIG. 2 shows an example for the clamping of a heat shield brick 26 shown in the prior art, wherein Details of the clamping of a stone 26 on one Support structure 31 are shown.
- the heat shield brick 26 points two opposing flanks 55 between the hot side 35 and cold side 33, which are provided with gripping grooves 57, in each case a gripping tab 59 of a substantially L-shaped Holder 61 engages.
- the holders 61 are in one Groove 63 of the support structure 31 on mounting tabs 65, the Groove floor 67 rest, anchored. Both fastening straps 65 are arranged so that they under the heat shield stone 26th protrude and accordingly from this against excessive thermal Be protected.
- a holder 61 is exactly one heat shield brick 26 associated with it and with its gripping tab 59 in engagement with the gripping groove 57.
- a plurality of holders 61 In general, four pieces required to be a single Heat shield block 26 to be attached to the support structure 31.
- Assembly effort is significant, as to replace a Hitzeschildstein 26 also regularly a whole series of adjacent heat shield bricks 26 from the support structure 31 to are solved.
- the invention occurs with a combustion chamber 4 with a completely new fastening concept for heat shield stones 26 to overcome the disadvantages described.
- FIG. 3 by way of example with reference to a plan view the hot side 35 adjacent to a number of areas arranged heat shield bricks 26A to 26D shown.
- the heat shield stones 26A, 26B, 26C, 26D have while in its basic form a quadrangular, approximate square, geometry on.
- a heat shield brick 26A and a to adjacent heat shield stone 26D are by a common Mounting bolt 37 at the in the figure 3 not Support structure 31 shown in detail (see the discussion in Figure 5 below) attached.
- each of the adjacent heat shield stones 26A, 26B, 26C, 26D is the fastening bolt 37 accessible from the hot side 35 ago and has a receptacle 41 for engagement of an assembly tool.
- the bolt head 39th in corresponding recesses 43 of adjacent heat shield stones 26A, 26B, 26C, 26D lowered, the recessed Bolt head 39 planar with the hot side surface 45 of the Heat shield stones 26A to 26D completes.
- the fastening bolt 37 is made of a metallic material and for cooling purposes if necessary, with coolant holes for admission designed with a coolant.
- FIG. 26 shows FIG. 4 heat shield bricks 26A to 26F, which have a triangular basic shape.
- Each of the heat shield stones 26A to 26F here has the geometry of a equilateral triangle, which makes it particularly easy Way a full coverage of a combustion chamber wall 24th (See Figure 1) is reached.
- this type of combustion chamber lining lie in the corner 71 or the vertex the six heat shield bricks 26A to 26F adjacent to each other and be in the corner 71 by a single joint fixing bolt 37 attached and secured.
- FIG. 5 For a better illustration of the combustion chamber 4 according to the invention is a detail in Figure 5 in a sectional view a lined with heat shield bricks 26A, 26B combustion chamber wall 24 shown.
- the heat shield bricks 26A, 26B are arranged adjacent to each other and by a common Fixing bolts 37 attached to the support structure 31.
- the Attachment is done in such a way that the fixing bolt 37 against a spring force in the axial direction of the fastening bolt 37 is displaceable.
- the support structure 31 a wall 47 through which an end portion 49 of the fastening bolt 37 extends.
- a spring element 51 which is a compression spring in this case, in the installed state is under a bias.
- the compression spring 51 surrounds in this case the end portion 49.
- a holding element 53 is arranged, wherein the holding element 53 a Abutment for the spring element 51 forms.
- the bolt head 39 closes with the hot side surface 45 of the heat shield bricks 26A, 26B planar from, so that good flow guidance properties for the hot Working medium M, with which the heat shield elements 26 A, 26 B are acted upon in operation of the combustion chamber 4, guaranteed are.
- the bolt head 39 of the fastening bolt 37 is cone-shaped or frustoconical configured.
- the flank of a respective heat shield brick 26A, 26B is corresponding the conical surface of the cone-shaped Bolt head 39 with a corresponding recess 43rd Mistake.
- the bolt head 39 is in the corresponding recesses of the adjacent Heat shield stones 26A, 26B lowered.
- the heat shield bricks 26A, 26B from the support structure 31 through a gap 73 spaced.
- This gap 73 can be required by suitable - not shown - distance or Damping elements between the heat shield brick 26A, 26B and the support structure 31 are arranged causes. It but are also other supply channels for a coolant K possible.
- the gap 73 with a Coolant K for example, cooling air, applied.
- the Coolant K cools the heat shield bricks 26A, 26B of the cold side 33 ago and also serves to cool the Fixing bolt 37.
- the fastening bolt 37 for efficient heat dissipation is the fastening bolt 37, this advantageously from a metal is made.
- the fastening bolt 37 in his End portion 49 a thread, which with a Counter thread of the holding member 53 is engaged, so that via the screw the spring force of the spring element 51 is adjustable.
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkammer für eine Gasturbine, deren Brennkammerwand innenseitig eine Anzahl von Hitzeschildsteinen aufweist, die im Wesentlichen flächendeckend nebeneinander angeordnet und an einer Tragstruktur befestigt sind, wobei jeder Hitzeschildstein eine der Tragstruktur zugewandte Kaltseite und eine der Kaltseite gegenüberliegende, mit einem heißen Medium beaufschlagbare Heißseite aufweist.The invention relates to a combustion chamber for a gas turbine, the combustion chamber wall inside a number of heat shield bricks which essentially covers the whole area arranged side by side and attached to a support structure are, each heat shield brick facing the support structure Cold side and one of the cold side opposite, having a hot medium acted upon hot side.
Eine solche Brennkammer mit einer Brennkammerauskleidung geht beispielsweise aus der DE-A 362 50 56 hervor. Derartige hitzeschildbewehrte Tragstrukturen finden vielfältige Verwendung, beispielsweise als Flammrohre oder Heißgaskanäle in Verbrennungsanlagen wie z. B. Gasturbinenanlagen. Entsprechende hitzeschildbewehrte Tragstrukturen gehen hervor aus der DE 117 37 34, der DE 252 34 49 C3 und der DE 362 50 56 A1.Such a combustion chamber with a combustion chamber lining goes For example, from DE-A 362 50 56. Such heat shield reinforced Support structures are used in a variety of ways, For example, as a flame tubes or hot gas channels in Incineration plants such. B. gas turbine plants. Appropriate heat shield reinforced supporting structures emerge DE 117 37 34, DE 252 34 49 C3 and the DE 362 50 56 A1.
Gemäß der DE 117 37 34 besteht die hitzebeständige Brennkammerauskleidung (Hitzeschild) aus profilierten Steinen, die mit Nuten versehene Flanken aufweisen, wobei jeder Stein zwischen mindestens zwei Haltern, die in die Nuten eingreifen, festgeklemmt ist. Die Halter weisen Laschen auf, die unter dem befestigten Stein auf der Tragstruktur aufliegen und mit dieser fest verbunden sind. Gemäß der DE 362 50 56 A1 sind die Steine mit abgeschrägten Flanken versehen und liegen unmittelbar auf der vor thermischer Belastung zu schützenden Tragstruktur auf. Sie sind befestigt mit metallischen Klammern von jeweils trapezförmigen Querschnitt, die in V-förmige Spalte zwischen jeweils zwei Steinen eingelegt und mittels Schrauben oder dergleichen gegen die Tragstruktur verspannt werden. According to DE 117 37 34, the heat-resistant Combustion lining (heat shield) made of profiled Stones having grooved flanks, wherein every stone between at least two holders, in the grooves engage, is clamped. The holders have tabs on, under the paved stone on the support structure rest and are firmly connected to this. According to the DE 362 50 56 A1, the stones are provided with bevelled flanks and lie directly on the front of thermal stress to be protected supporting structure. They are attached with metallic Brackets of trapezoidal cross section, the inserted in V-shaped column between two stones and by means of screws or the like against the support structure be tense.
Als unter Umständen nachteilig an dem Hitzschild gemäß der DE 117 37 34 ist hervorzuheben, dass ein von der Tragstruktur fernzuhaltendes heißes Fluid den Hitzeschild unterströmen kann, weil die Steine notwendigerweise beabstandet von der Tragstruktur angeordnet werden müssen, und das außerdem den durch thermische Belastung hervorgerufenen Änderungen der Federkräftehalter nicht in ausreichendem Maße Rechnung getragen werden kann. Eine Unterströmung des Hitzeschildes mit heißen Fluid kann möglicherweise zu Beschädigungen der Tragstruktur führen. Eine unvollständige Berücksichtigung der Veränderungen der Federkräftehalter unter thermischer Beanspruchung kann zum Lösen der Steine bei hoher thermischer Belastung oder zu übermäßiger mechanischer Beanspruchung der Steine bei niedriger thermischer Belastung führen. Das Hitzeschild gemäß der DE 362 50 56 A1 beinhaltet zwar keine Gefahr durch Unterströmung, da die den Hitzeschild bildenden Steine unmittelbar auf der Tragstruktur aufliegen; die metallischen Befestigungselemente des Hitzeschildes sind allerdings unmittelbar dem heißen Fluid ausgesetzt und begrenzen die thermische Belastbarkeit des Hitzeschildes, bzw. erfordern besondere Kühlmaßnahmen.As possibly disadvantageous to the Hitzschild according to the It should be pointed out in DE 117 37 34 that one of the support structure Keep away from hot fluid to flow under the heat shield can, because the stones are necessarily spaced from the Support structure must be arranged, and that also the Thermal changes caused by thermal stress Spring force holder is not sufficiently taken into account can be. An underflow of the heat shield with Hot fluid can possibly damage the support structure to lead. An incomplete consideration of the Changes in the spring force holder under thermal stress can be used to loosen the stones at high thermal Load or excessive mechanical stress on the Lead stones at low thermal stress. The heat shield Although according to DE 362 50 56 A1 does not involve any danger by undercurrent, since the heat shield forming stones lie directly on the support structure; the metallic one Fasteners of the heat shield are however immediate exposed to the hot fluid and limit the thermal Resilience of the heat shield, or require special Cooling measures.
Eine andere Art der Auskleidung eines thermisch hochbelasteten
Brennraums ist in der EP 0 558 540 B1 angegeben. Darin
ist ein Hitzeschild an einer Tragstruktur offenbart, welches
Hitzeschild eine Vielzahl von Steinen aufweist, die im Wesentlichen
flächendeckend nebeneinander angeordnet und mit
metallischen Haltern an der Tragstruktur befestigt sind, wobei
jeder Stein eine auf der Tragstruktur aufliegende Kaltseite,
eine der Tragstruktur abgewandte Heißseite und zumindest
zwei Flanken aufweist, deren jeder die Kaltseite mit der
Heißseite verbindet und deren jeder zumindest ein Halter zugeordnet
ist, der die Flanken mit einer Greiflasche zumindest
teilweise übergreift. Dabei ist die Tragstruktur mit Nuten
versehen, deren jede zwei einander gegenüberliegende Nutwände
einen Nutboden und eine Nutöffnung hat, und dass jeder Halter
an einer Befestigungslasche die etwa rechtwinklig zu der
Greiflasche ausgerichtet ist, in einer Nut befestigt ist.Another type of lining of a thermally highly loaded
Combustion chamber is specified in
Die Erfindung geht von der Beobachtung aus, dass die vorbeschriebenen keramischen Hitzeschildsteine aufgrund ihrer notwendigen Flexibilität hinsichtlich thermischer Ausdehnungen häufig nur unzureichend gegenüber mechanischen Belastungen, wie beispielsweise Stöße und Vibrationen, gesichert sind. Ferner ist beim Einsatz der Hitzeschildsteine in einer Brennkammer zur Auskleidung einer Brennkammerwand bei Montage bzw. Wartungsarbeiten ein erheblicher Zeitaufwand aufgrund der schwer zugänglichen Befestigung zu verzeichnen.The invention is based on the observation that the above ceramic heat shields due to their necessary Flexibility in terms of thermal expansion often insufficient for mechanical loads, such as shocks and vibrations, are secured. Furthermore, when using the heat shield stones in a combustion chamber for lining a combustion chamber wall during assembly or Maintenance work takes a considerable amount of time due to the difficult to access attachment to record.
Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammer für eine Gasturbine anzugeben, die verbesserte Hitzeschildsteine aufweist, die insbesondere gegenüber den oben genannten Anforderungen einer höheren Betriebssicherheit bei geringerem Wartungsaufwand gewährleistet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer Gasturbine mit einer derartigen Brennkammer.The invention is therefore the object of a Indicate combustion chamber for a gas turbine, which improved Having heat shields, especially against the above requirements of higher operational safety guaranteed with less maintenance. Another The object of the invention is to specify a gas turbine with a such combustion chamber.
Die auf eine Brennkammer gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Brennkammer für eine Gasturbine, deren Brennkammerwand innenseitig eine Anzahl von Hitzeschildsteinen aufweist, die im Wesentlichen flächendeckend nebeneinander angeordnet und an einer Tragstruktur befestigt sind, wobei jeder Hitzeschildstein eine der Tragstruktur zugewandte Kaltseite und eine der Kaltseite gegenüberliegende, mit einem heißen Medium beaufschlagbare Heißseite aufweist, wobei ein Hitzeschildstein und ein dazu benachbarter Hitzeschildstein durch mindestens einen gemeinsamen Befestigungsbolzen an der Tragstruktur befestigt sind.The task directed to a combustion chamber is according to the invention solved by a combustion chamber for a gas turbine, whose Combustor wall inside a number of heat shield bricks which, in essence, cover each other side by side arranged and attached to a support structure, each heat shield brick facing the support structure Cold side and one of the cold side opposite, with a has hot medium acted upon hot side, wherein a Heat shield stone and a neighboring heat shield stone by at least one common fastening bolt on the Support structure are attached.
Mit der Erfindung wird ein völlig neuer Weg aufgezeigt, eine Brennkammer mit Hitzeschildsteinen gegenüber hohen Beschleunigungen in Folge von Stößen oder Vibrationen dauerhaft zu sichern und gleichzeitig den bedarfsweisen Austausch einzelner Hitzeschildsteine bei Wartungsarbeiten zu ermöglichen. Die Erfindung geht dabei bereits von der Erkenntnis aus, dass Hitzeschildsteine, wie sie üblicherweise zur Auskleidung einer Brennkammerwand eingesetzt werden, durch stationäre und/oder transiente Schwingungen in der Brennkammerwand zu entsprechenden Schwingungen angeregt werden. Dabei können, insbesondere in einem Resonanzfall, hohe Beschleunigungen oberhalb einer Grenzbeschleunigung auftreten, wobei die Hitzeschildsteine von der Brennkammerwand abheben und in der Folge wieder aufschlagen. Ein solcher Aufschlag auf die massive Brennkammerwand führt zu sehr hohen Kräften auf die Hitzeschildsteine und kann zu großen Beschädigungen an diesen führen. Dies führt zu einer erheblichen Reduzierung der Dauerhaltbarkeit eines Hitzeschildsteins in der Brennkammer. In schlimmsten Fall kann bei einem solchen Aufschlag der Hitzeschildstein zu Bruch gehen, wodurch unmittelbar die Gefahr besteht, dass die Bruchstücke sich voneinander lösen und in den Brennraum gelangen. Kleinere oder auch größere Bruchstücke im Brennraum können in der Folge Komponenten im Brennraum erheblich beschädigen. Insbesondere beim Einsatz einer derartigen Brennkammer mit Hitzeschildsteinen in einer Gasturbine kann dadurch die nachgeschaltete Turbine einen erheblichen Schaden erleiden.With the invention, a completely new way is shown, a Combustion chamber with heat shields against high accelerations due to shocks or vibrations permanently too secure and at the same time the need-based exchange of individual To enable heat shield stones during maintenance work. The invention already starts from the knowledge that Heat shield stones, as they are usually used for lining a Combustor wall can be used by stationary and / or transient vibrations in the combustion chamber wall appropriate vibrations are excited. In doing so, especially in a case of resonance, high accelerations occur above a limit acceleration, the heat shield stones stand out from the combustion chamber wall and in the Follow up again. Such a markup on the massive Combustor wall leads to very high forces on the heat shield stones and can cause great damage to these to lead. This leads to a significant reduction of Durability of a heat shield stone in the combustion chamber. In the worst case, at such an impact of the heat shield stone to break, causing immediate danger is that the fragments separate from each other and in reach the combustion chamber. Smaller or larger Fragments in the combustion chamber may result in components in the sequence Significantly damage the combustion chamber. Especially when used Such a combustion chamber with heat shield stones in one Gas turbine can thereby the downstream turbine one suffer considerable damage.
Mit der Erfindung wird die Gefahr eines Herauslösens von Bruchstücken aus einem Hitzeschildstein, der insbesondere aus einem keramischen Material besteht, deutlich herabgesetzt. Zugleich wird vorteilhafterweise die Montierbarkeit und die Demontierbarkeit einzelner Hitzeschildsteine an der Tragstruktur erheblich erleichtert, was für das Servicegeschäft von großer Bedeutung ist. Bei dem vorgeschlagenen Befestigungskonzept wird ein Hitzeschildstein und ein dazu benachbarter Hitzeschildstein durch mindestens einen gemeinsamen Befestigungsbolzen an der Tragstruktur befestigt. Ein einziger Befestigungsbolzen befestigt und sichert daher zugleich mindestens zwei Hitzeschildsteine, nämlich einen Hitzeschildstein und einen dazu benachbarten Hitzeschildstein.With the invention, the risk of detachment from Fragments from a heat shield stone, in particular from a ceramic material is significantly reduced. At the same time advantageously the mountability and the Disassembly of individual heat shield stones on the Support structure greatly facilitated what for Service business is of great importance. In which proposed attachment concept is a heat shield brick and an adjacent heat shield brick by at least a common fastening bolt on the support structure attached. A single fixing bolt attached and at the same time ensures at least two heat shields, namely a heat shield stone and a neighboring one Heat shield block.
Dabei wird erstmals eine Bolzenbefestigung für
Hitzeschildsteine vorgeschlagen, die gegenüber der
beispielsweise aus der EP 0 558 540 B1 bekannten
Verklammerung eines Hitzeschildsteins mit einer Anzahl von
Klammern, vor allem im Hinblick auf den Montageaufwand klar
überlegen ist. Daneben wird mit dem Befestigungskonzept der
Erfindung die passive Sicherheit der Brennkammer erhöht, da
ein Hitzeschildsteine bei einem durchgehenden Riss im
Hitzeschildstein nicht verloren geht. Eine auf diese Weise
mit Hitzeschildsteinen ausgekleidete Brennkammer verfügt im
Fall besonderer Vorkommnisse über Notlaufeigenschaften, so
dass Folgeschäden, etwa für die Beschaufelung einer der
Brennkammer nachgeschalteten Turbine, vermieden werden
können. Wirtschaftlich ergibt sich hieraus zusätzlich der
Vorteil, dass im Normalfall keine außerordentliche Wartung
und/oder Revision einer die Hitzeschildsteine aufweisenden
Brennkammer erforderlich ist. Die Brennkammer mit einer
derartigen Auskleidung von Hitzeschildsteinen kann zumindest
mit den üblichen Wartungszyklen betrieben werden, wobei aber
zudem eine Verlängerung der Standzeiten aufgrund der erhöhten
passiven Sicherheit erzielbar ist. Bei Wartungsarbeiten sind
vorteilhafterweise einzelne Brennkammersteine auf besonders
einfache Weise durch Lösen entsprechender Befestigungsbolzen
austauschbar, was bei der herkömmlichen Verklammerung von
Hitzeschildsteinen nur unter erheblichem Aufwand unter
Demontage ganzer Reihen von Hitzeschildsteinen - insbesondere
auch solcher, die gar nicht zum Austausch anstehen - erfolgen
kann.This is the first time a bolt attachment for
Heat shields suggested that opposite the
For example, from
In besonders bevorzugter Ausgestaltung sind die Hitzeschildsteine jeweils als ein Vieleck ausgestaltet, wobei ein gemeinsamer Befestigungsbolzen an einer Ecke positioniert ist. Mit der Vieleckgeometrie ist eine flächendeckende Auskleidung der Brennkammer mit Hitzeschildsteinen möglich, wobei in einer Ecke eine Mehrzahl von Hitzeschildsteinen einander grenzen und somit benachbart zueinander angeordnet sind. Mit den gemeinsamen Befestigungsbolzen an einer Ecke kann ein Bolzen zugleich eine Vielzahl von benachbarten Hitzeschildsteinen an der Tragstruktur in der gewünschten Position befestigen und halten.In a particularly preferred embodiment, the heat shield stones each designed as a polygon, with a common Mounting bolt is positioned at a corner. With the polygon geometry is a nationwide lining the combustion chamber with heat shield stones possible, in one Corner a plurality of heat shield stones border each other and thus are arranged adjacent to each other. With the Common mounting bolts on a corner can be a bolt at the same time a large number of adjacent heat shield stones attach the support structure in the desired position and hold.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung sind die Hitzeschildsteine dabei als Dreiecke oder Vierecke ausgestaltet, die durch einen an einer Ecke positionierten gemeinsamen Befestigungsbolzen an der Tragstruktur befestigt sind. Bei einer flächendeckenden Belegung mit Vierecken kann ein Befestigungsbolzen, der an einer Ecke angeordnet ist zugleich vier Hitzeschildelemente, die in der Ecke benachbart zueinander angeordnet sind, sichern. Die Eckenbefestigung der Hitzeschildsteine mit einem jeweiligen Befestigungsbolzen ist dabei besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine einfache Montage bzw. Demontage, wobei zugleich ein Herausfallen vor eventuellen Bruchstücken erschwert wird, insbesondere im Vergleich zu den bereits oben diskutierten, bekannten Klammerbefestigungen. Hitzeschildsteine in Form von Dreiecken, insbesondere von gleichseitigen Dreiecken, sind ebenfalls besonders günstig für eine flächendeckende Auskleidung der Brennkammer mit einen in den Ecken der Hitzeschildsteine positionierten Befestigungsbolzen. Durch die gleichseitigen Dreiecke wird eine sechszählige Rotationssymmetrie bezogen auf einen Eckpunkt realisiert, das heißt mit einem Befestigungsbolzen werden zugleich sechs benachbarte Hitzeschildsteine befestigt und im Betrieb dauerhaft gesichert.In a particularly preferred embodiment, the heat shield stones thereby designed as triangles or squares, the by a common fastening bolt positioned at a corner attached to the support structure. At a area coverage with squares can be a fixing bolt, which is arranged at a corner is four at the same time Heat shield elements in the corner adjacent to each other are arranged secure. The corner fastening of heat shield stones with a respective fastening bolt is included particularly advantageous in terms of ease of installation or disassembly, at the same time before falling out possible fragments, especially in comparison to the already discussed, known clamp fasteners. Heat shield stones in the form of triangles, in particular of equilateral triangles, are also special favorable for an area-wide lining of the combustion chamber with one in the corners of the heat shield stones positioned fastening bolts. By the equilateral Triangles are related to a sixfold rotational symmetry realized on a vertex, that is with a Fastening bolts are at the same time six adjacent Heat shield stones attached and permanently in operation secured.
Vorzugsweise ist zur Demontage eines Hitzeschildsteins der Befestigungsbolzen von der Heißseite her zugänglich und lösbar. Somit kann bei einer Wartung oder Revision der Brennkammer ein Hitzeschildstein aus dem Inneren des Brennkammerraums durch Herauslösen des Befestigungsbolzens oder einer entsprechenden Anzahl von dem Hitzeschildstein sichernden Befestigungsbolzen ausgetauscht werden.Preferably, for dismantling a heat shield stone of Mounting bolts accessible and detachable from the hot side. Thus, during a maintenance or revision of the combustion chamber a heat shield brick from inside the firebox room by detachment of the fastening bolt or a corresponding Number of fixing bolts securing the heat shield brick be replaced.
Dabei weist der Befestigungsbolzen vorzugsweise einen sich in axialer Richtung des Befestigungsbolzens normal zur Heißseite im Querschnitt erweiternden Bolzenkopf, bevorzugt mit einer Aufnahme für ein Montagewerkzeug, auf. Durch den sich im Querschnitt erweiternden Bolzenkopf ist eine Herausfallsicherung für die mittels des Befestigungsbolzen an der Tragstruktur befestigten Hitzeschildsteine gegeben. Weiterhin sorgt der sich erweiternde Querschnitt des Bolzenkopfs für eine erhöhte passive Sicherheit im Falle eines Risses oder eines Bruchs eines Hitzeschildsteins, beispielsweise in Folge einer Stoßbelastung. Je nach Dimensionierung des Querschnitts und des Verlaufs des sich erweiternden Bolzenkopfs, kann eine an die zu erwartende Belastungssituation des Hitzeschildsteins in der Brennkammer angepasste konstruktive Auslegung des Befestigungsbolzens und der zu befestigenden Hitzeschildsteine realisiert werden.In this case, the fastening bolt preferably has a in axial direction of the mounting bolt normal to the hot side in cross section widening bolt head, preferably with a Pickup for a mounting tool, on. By being in the Cross-section expanding bolt head is one Fail-safe for by means of the fastening bolt Given the supporting structure attached heat shield bricks. Furthermore, the widening cross section of the Bolt head for increased passive safety in case a crack or fracture of a heat shield stone, for example, as a result of a shock load. Depending on Dimensioning of the cross section and the course of the expanding bolt head, one can be expected to the Loading situation of the heat shield block in the combustion chamber adapted constructive design of the fastening bolt and the heat shield bricks to be attached are realized.
So ist vorzugsweise im montierten Zustand der Bolzenkopf in korrespondierenden Ausnehmungen benachbarter Hitzeschildsteine abgesenkt. Die korrespondierenden Ausnehmungen benachbarter Hitzeschildsteine ergänzen sich zu einer geschlossenen, zum Beispiel im Querschnitt kreisförmigen, Ausnehmung, in die der Bolzenkopf abgesenkt ist. Durch die Absenkung des Bolzenkopfs ist eine sichere Positionierung und Halterung der benachbarten Hitzeschildsteine erreicht, wobei der Bolzenkopf mit den benachbarten Hitzeschildsteinen im Bereich der Ausnehmung in Kontakt kommt. Die Absenkung des Bolzenkopfs stellt auch einen gewissen zusätzlichen Schutz des Bolzenkopfs vor einer allzu massiven Beaufschlagung mit Heißgas beim Betrieb der Brennkammer dar.So is preferably in the mounted state of the bolt head in corresponding recesses of adjacent heat shield stones lowered. The corresponding recesses of adjacent Heat shield stones complement each other to a closed, For example, in cross-section circular, recess in the the bolt head is lowered. By lowering the Bolt head is a secure positioning and mounting the reached adjacent heat shield bricks, the bolt head with the neighboring heat shields in the area of Recess comes into contact. The lowering of the bolt head also provides some extra protection of the Bolt head against too massive admission with Hot gas during operation of the combustion chamber is.
Der versenkte Bolzenkopf schließt vorzugsweise plan mit der Heißseitenoberfläche der Hitzeschildsteine ab. Hierdurch wird eine plane Fläche durch die flächendeckend nebeneinander angeordneten und an der Tragstruktur befestigten Hitzeschildsteine realisiert, was die Strömungsführungseigenschaften des Heißgases und die Hitzeschutzfunktion des mit den Hitzeschildsteinen realisierten Hitzeschilds nochmals erhöht.The countersunk bolt head preferably closes flush with the Hot side surface of heat shield stones. This will a flat surface through the area-wide arranged side by side and attached to the support structure heat shield stones realized what the flow guidance properties of Hot gas and the heat protection function of the heat shield stones realized heat shield again increased.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung weist der Befestigungsbolzen einen kegelförmig bzw. Kegelstumpfförmig ausgestalteten Bolzenkopf auf. Die Kegelform ist im Hinblick auf die einfache Herstellung von Befestigungsbolzen besonders vorteilhaft, da hierbei Drehmaschinen zum Einsatz kommen können. Die Kegelform bzw. Kegelstumpfform ist aufgrund der Symmetrie der Kegelmantelfläche auch im Hinblick auf die Lastverteilung in Folge der Haltekräfte des Bolzenkopfs gegenüber den zu haltenden Hitzeschildstein besonders günstig.In a particularly preferred embodiment, the fastening bolt a conical or truncated cone designed bolt head on. The cone shape is in view to the simple production of fastening bolts especially advantageous since lathes are used here can. The conical shape or truncated cone shape is due to the Symmetry of the conical surface also with regard to Load distribution due to the holding forces of the bolt head especially against the heat shield stone to be kept Cheap.
Bevorzugt ist der Befestigungsbolzen aus Metall. Hierbei kommen hochtemperaturfeste Werkstoffe wie beispielsweise hochtemperaturfeste Stähle oder Metalllegierungen auf Nickeloder Kobaltbasis, in Frage.Preferably, the fastening bolt is made of metal. Come here High temperature resistant materials such as high temperature resistant Steels or metal alloys on nickel or Cobalt base, in question.
Bevorzugt ist der Befestigungsbolzen gegen eine Federkraft in axialer Richtung des Befestigungsbolzens verschieblich. Der Hitzeschildstein ist hierdurch wärmebeweglich an der Tragstruktur mittels des Befestigungsbolzens verankert, wobei zur Kompensation der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen, die aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe entstehen, der Befestigungsbolzen gegen die Federkraft in axialer Richtung des Befestigungsbolzens verschieblich ist. Die Verankerung erfolgt vorzugsweise an der der Innenauskleidung der Brennkammer abgewandten Wand der Tragstruktur. Hierzu weist die Tragstruktur wenigstens eine Wand auf, durch die sich wenigstens ein Endabschnitt des Befestigungsbolzens erstreckt.Preferably, the fastening bolt against a spring force in slidable axial direction of the fastening bolt. Of the Heat shield brick is thereby heat-movable on the support structure anchored by means of the fastening bolt, wherein the Compensation of the different thermal expansions, the due to different thermal expansion coefficients of Materials arise, the fastening bolt against the Spring force in the axial direction of the fastening bolt is displaceable. The anchoring is preferably carried out the inner lining of the combustion chamber facing away from the wall Supporting structure. For this purpose, the support structure has at least one Wall on, through which at least one end portion of the Extending bolt extends.
An dem Endabschnitt des Bolzens greift in bevorzugter Ausgestaltung ein Federelement an, vorzugsweise eine Druckfeder. At the end portion of the bolt engages in a preferred embodiment a spring element, preferably a compression spring.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Druckfeder den Endabschnitt des Befestigungsbolzens umgibt.According to another preferred embodiment, it is proposed that the compression spring the end portion of the fastening bolt surrounds.
Vorzugsweise ist an dem Endabschnitt des Befestigungsbolzens ein Halteelement angeordnet, wobei das Halteelement ein Widerlager für das Federelement bildet. Durch Positionierung des Halteelements und Auslegung des Federelements kann somit eine gewünschte Haltekraft gewährleistet werden, um ein Hitzeschildelement über dem Befestigungsbolzen zu sichern.Preferably, at the end portion of the fastening bolt arranged a holding element, wherein the holding element is an abutment forms for the spring element. By positioning of the retaining element and design of the spring element can thus a desired holding force can be guaranteed to a Secure the heat shield element over the fastening bolt.
Die auf eine Gasturbine gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Gasturbine mit einer Brennkammer, die Hitzeschildsteine aufweist, die gemäß in obigen Ausführungen befestigt sind.The object directed to a gas turbine is achieved according to the invention solved by a gas turbine with a combustion chamber, the Having heat shield stones, according to the above are attached.
Die Vorteile einer solchen Gasturbine ergeben sich entsprechend den obigen Ausführungen zu der Brennkammer.The advantages of such a gas turbine arise accordingly the above comments on the combustion chamber.
Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand einer Zeichnung näher erläutert.The invention will be described below by way of example with reference to FIG Drawing explained in more detail.
Darin zeigen in vereinfachter und nicht maßstäblicher Darstellung:
- FIG 1
- einen Halbschnitt durch eine Gasturbine,
- FIG 2
- ein keramischer Hitzeschildstein einer Tragstruktur gemäß dem Stand der Technik,
- FIG 3
- in einer Draufsicht auf die Heißseite flächendeckend nebeneinander angeordneter Hitzeschildsteine gemäß der Erfindung,
- FIG 4
- eine Anzahl flächendeckend nebeneinander angeordneter Hitzeschildsteine mit gegenüber FIG 3 alternativer Geometrie, und
- FIG 5
- in einer Schnittansicht die Befestigung eines Hitzeschildsteins an der Tragstruktur.
- FIG. 1
- a half-section through a gas turbine,
- FIG. 2
- a ceramic heat shield brick of a support structure according to the prior art,
- FIG. 3
- in a plan view of the hot side area-covering side by side arranged heat shield stones according to the invention,
- FIG. 4
- a number of surface next to each other arranged heat shield bricks with respect to FIG 3 alternative geometry, and
- FIG. 5
- in a sectional view, the attachment of a heat shield brick to the support structure.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.Identical parts are given the same reference numerals in all figures Mistake.
Die Gasturbine 1 gemäß Figur 1 weist einen Verdichter 2 für
Verbrennungsluft, eine Brennkammer 4, sowie eine Turbine 6
zum Antrieb des Verdichters 2 und eines nicht näher dargestellten
Generators und einer Arbeitsmaschine auf. Dazu sind
die Turbine 6 und der Verdichter 2 auf einer gemeinsamen,
auch als Turbinenläufer bezeichneten Turbinenwelle angeordnet,
mit der auch der Generator bzw. die Arbeitsmaschine
verbunden ist, und die um ihre Mittelachse drehbar gelagert
ist. Die in der Art einer Ringbrennkammer ausgeführte Brennkammer
4 ist mit einer Anzahl von Brennern 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
Leitschaufelnreihen an einem Innengehäuse 16 der Turbinen
befestigt sind. Die Laufschaufeln 12 dienen dabei zum Antrieb
der Turbinenwelle durch Impulsübertrag vom die Turbine 6
durchströmenden heißen Mediums, dem Arbeitsmedium M. Die
Leitschaufeln 14 dienen hingegen zur Strömungsführung des
Arbeitsmediums M zwischen jeweils zwei in Strömungsrichtung
des Arbeitsmediums M, z. B. dem Heißgas, gesehenen
aufeinanderfolgenden Laufschaufelreihen oder
Laufschaufelkränzen. Ein aufeinanderfolgendes Paar aus einem
Kranz von Leitschaufeln 14 oder einer Leitschaufelreihe und
aus einem Kranz Laufschaufeln 12 oder einer Laufschaufelreihe
wird dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet.The gas turbine 1 according to FIG. 1 has a compressor 2 for
Combustion air, a combustion chamber 4, and a
Jede Leitschaufel 14 weist eine auch als Schaufelfuß bezeichnete
Plattform 18 auf, die zur Fixierung der jeweiligen
Leitschaufel 14 am Innengehäuse 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
Zwischen beabstandet voneinander angeordneten Plattformen 18
der Leitschaufel 14 zwei 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 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 - Einboardteile - vor einer thermischen
Überbeanspruchung durch das die Turbine 6 durchströmende
heiße Arbeitsmedium M schützt. Die Brennkammer 4 ist von
einem Brennkammergehäuse 29 begrenzt, wobei brennkammerseitig
eine Brennkammerwand 24 gebildet ist. Im Ausführungsbeispiel
ist die Brennkammer 4 als so genannte Ringbrennkammer
ausgestaltet, bei der eine 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.Between spaced
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist
die Brennkammer 4 für vergleichsweise hohe Heißgastemperaturen
des Arbeitsmediums M von etwa 1200 °C bis 1500 °C ausgelegt.
Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen
Betriebsbedingungen eine vergleichsweise lange Betriebsdauer
zu ermöglichen, ist die Brennkammerwand 24 auf ihrer dem Arbeitsmedium
M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildsteinen
26 gebildeten Brennkammerauskleidung versehen. Die
Hitzeschildelemente 26 sind dabei über geeignete - in der
Figur 1 nicht näher dargestellte Befestigungsmittel - an der
Brennkammerwand 24 befestigt.To achieve a comparatively high efficiency
the combustion chamber 4 for comparatively high hot gas temperatures
the working medium M of about 1200 ° C to 1500 ° C designed.
Even with these, unfavorable for the materials
Operating conditions a comparatively long service life
to allow the
In Figur 2 ist ein Beispiel zur Verklammerung eines Hitzeschildsteines
26 nach dem Stand der Technik dargestellt, wobei
Einzelheiten der Verklammerung eines Steins 26 auf einer
Tragstruktur 31 gezeigt sind. Der Hitzeschildstein 26 weist
zwei einander gegenüberliegende Flanken 55 zwischen Heißseite
35 und Kaltseite 33 auf, die mit Greifnuten 57 versehen sind,
in die jeweils eine Greiflasche 59 eines im Wesentlichen L-förmigen
Halters 61 eingreift. Die Halter 61 sind in einer
Nut 63 der Tragstruktur 31 an Befestigungslaschen 65, die am
Nutboden 67 aufliegen, verankert. Beide Befestigungslaschen
65 sind so angeordnet, dass sie unter den Hitzeschildstein 26
ragen und dementsprechend von diesem gegen übermäßige thermische
Beanspruchung geschützt werden. Weiterhin ist ein Distanzstück
69 angedeutet, welches zur Distanzierung von Haltern
61, die den verschiedenen Steinen 26 zugeordnet sind,
dienen kann. Bei dem Konzept der Verklammerung von Hitzeschildsteinen
26 gemäß dem hier in Figur 2 gezeigten Stand
der Technik ist ein Halter 61 genau einem Hitzeschildstein 26
zugeordnet und dabei mit seiner Greiflasche 59 in Eingriff
mit der Greifnut 57. Dabei sind eine Vielzahl von Haltern 61,
im allgemeinen vier Stück erforderlich, um einen einzigen
Hitzeschildstein 26 an der Tragstruktur 31 zu befestigen. Der
Montageaufwand ist erheblich, da zum Austausch eines
Hitzeschildsteins 26 regelmäßig auch eine ganze Reihe von
benachbarten Hitzeschildsteinen 26 von der Tragstruktur 31 zu
lösen sind. Hinzu kommt, dass durch das Verklammerungskonzept
eine nur unzureichende passive Sicherung des
Hitzeschildsteins 26 bei einem möglichen Bruch oder
durchgehenden Riss des Hitzeschildsteins 26 gewährleistet
ist. Das Loslösen von Bruchstücken aus einem Hitzeschildstein
26 ist mit gravierenden Gefahren für die Brennkammer 4 und
die der Brennkammer 4 nachgeschaltete Turbine 6 (vergleiche
Figur 1) verbunden.FIG. 2 shows an example for the clamping of a
Dem tritt die Erfindung mit einer Brennkammer 4 mit einem
völlig neuartigen Befestigungskonzept für Hitzeschildsteine
26 entgegen, um die beschriebenen Nachteile zu überwinden.
Dies ist in Figur 3 beispielhaft anhand einer Draufsicht auf
die Heißseite 35 einer Anzahl von flächendeckend benachbart
zueinander angeordneten Hitzeschildsteinen 26A bis 26D
gezeigt. Die Hitzeschildsteine 26A, 26B, 26C, 26D weisen
dabei in ihrer Grundform eine viereckige, näherungsweise
quadratische, Geometrie auf. Ein Hitzeschildstein 26A und ein
dazu benachbarter Hitzeschildstein 26D sind durch einen gemeinsamen
Befestigungsbolzen 37 an der in der Figur 3 nicht
näher dargestellten Tragstruktur 31 (siehe hierzu die Diskussion
bei Figur 5 nachstehend) befestigt. Dabei ist in einer
Ecke 71 oder einem Eckpunkt ein gemeinsamer Befestigungsbolzen
37 vorgesehen, der jeweils benachbarte Hitzeschildsteine
26A, 26B, 26C, 26D haltert. Zur leichteren Demontage
eines Hitzeschildsteins 26A, 26B, 26C, 26D ist der Befestigungsbolzen
37 von der Heißseite 35 her zugänglich und weist
eine Aufnahme 41 zum Eingriff eines Montagewerkzeugs auf. Im
montierten Zustand ist - wie hier gezeigt - der Bolzenkopf 39
in korrespondierende Ausnehmungen 43 benachbarter Hitzeschildsteine
26A, 26B, 26C, 26D abgesenkt, wobei der versenkte
Bolzenkopf 39 planar mit der Heißseitenoberfläche 45 der
Hitzeschildsteine 26A bis 26D abschließt. Der Befestigungsbolzen
37 ist aus einem metallischen Werkstoff und zur Kühlungszwecken
bedarfsweise mit Kühlmittelbohrungen zur Beaufschlagung
mit einem Kühlmittel ausgelegt.The invention occurs with a combustion chamber 4 with a
completely new fastening concept for
In alternativer Ausgestaltung der in Figur 3 dargestellten
flächendeckenden Auskleidung einer Brennkammer 4 mit Hitzeschildsteinen
26 zeigt Figur 4 Hitzeschildsteine 26A bis 26F,
die eine dreieckige Grundform aufweisen. Jedes der Hitzeschildsteine
26A bis 26F weist hierbei die Geometrie eines
gleichseitigen Dreiecks auf, wodurch in besonders einfacher
Weise eine flächendeckende Belegung einer Brennkammerwand 24
(vergleiche Figur 1) erreicht ist. Bei dieser Art der Brennkammerauskleidung
liegen in der Ecke 71 oder dem Eckpunkt die
sechs Hitzeschildsteine 26A bis 26F benachbart zueinander und
werden in der Ecke 71 durch einen einzigen gemeinsamen Befestigungsbolzen
37 befestigt und gesichert. Bei einem Anriss
oder selbst bei einem vollständigen Durchriss eines der Hitzeschildsteine
26A bis 26F ist durch die Mehrfachsicherung
ein Herauslösen von Bruchstücken aus dem Verbund weitgehend
ausgeschlossen, so dass gegenüber herkömmlichen
Befestigungskonzepten für Brennkammerauskleidungen auf
Hitzeschildsteinbasis eine erhöhte Standzeit insbesondere
gute Notlaufeigenschaften, erzielt ist. Darüber hinaus ist
die Montage und Demontage eines einzelnen der
Hitzeschildsteine 26A bis 26F sehr einfach möglich, da der
Befestigungsbolzen 37 von der Heißseite 35 her zugänglich und
daher von Brennraum her mit einem einfachen Montagewerkzeug,
welches für einen Eingriff in die Aufnahme 41 ausgestaltet
ist, lösbar.In an alternative embodiment of the illustrated in Figure 3
nationwide lining of a combustion chamber 4 with heat shield stones
FIG. 26 shows FIG. 4
Zur besseren Illustration der erfindungsgemäßen Brennkammer 4
ist in Figur 5 in einer Schnittansicht ein Ausschnitt aus
einer mit Hitzeschildsteinen 26A, 26B ausgekleideten Brennkammerwand
24 gezeigt. Die Hitzeschildsteine 26A, 26B sind
benachbart zueinander angeordnet und durch einen gemeinsamen
Befestigungsbolzen 37 an der Tragstruktur 31 befestigt. Die
Befestigung erfolgt dergestalt, dass der Befestigungsbolzen
37 gegen eine Federkraft in axialer Richtung des Befestigungsbolzens
37 verschieblich ist. Hierzu weist die Tragstruktur
31 eine Wand 47 auf, durch die sich ein Endabschnitt
49 des Befestigungsbolzens 37 erstreckt. An dem Endabschnitt
49 des Befestigungsbolzens 37 greift ein Federelement 51 an,
welches in diesem Falle eine Druckfeder ist, die im Einbauzustand
unter einer Vorspannung steht. Die Druckfeder 51 umgibt
hierbei den Endabschnitt 49. An dem Endabschnitt 49 ist
ein Halteelement 53 angeordnet, wobei das Halteelement 53 ein
Widerlager für das Federelement 51 bildet. Dadurch ist eine
federelastische Befestigung der Hitzeschildsteine 26A, 26B an
der Tragstruktur 31 gewährleistet, so dass insbesondere thermische
Relativdehnungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten
der eingesetzten Werkstoffe kompensiert
werden. Der Bolzenkopf 39 schließt mit der Heißseitenoberfläche
45 der Hitzeschildsteine 26A, 26B planar ab, so dass
gute Strömungsführungseigenschaften für das heiße
Arbeitsmedium M, mit denen die Hitzeschildelemente 26A, 26B
in Betrieb der Brennkammer 4 beaufschlagt sind, gewährleistet
sind. Der Bolzenkopf 39 des Befestigungsbolzens 37 ist
kegelförmig bzw. kegelstumpfförmig ausgestaltet. Die Flanke
eines jeweiligen Hitzeschildsteins 26A, 26B ist entsprechend
der Kegelmantelfläche des kegelförmig ausgestalteten
Bolzenkopfs 39 mit einer korrespondierenden Ausnehmung 43
versehen. Im montierten Zustand ist der Bolzenkopf 39 in die
korrespondierenden Ausnehmungen der benachbarten
Hitzeschildsteine 26A, 26B abgesenkt. Zu Kühlungszwecken sind
die Hitzeschildsteine 26A, 26B von der Tragstruktur 31 durch
einen Spalt 73 beabstandet. Dieser Spalt 73 kann bedarfsweise
durch geeignete - nicht näher dargestellte - Distanz- oder
Dämpfungselemente, die zwischen dem Hitzeschildstein 26A, 26B
und der Tragstruktur 31 angeordnet sind, bewirkt sein. Es
sind aber auch andere Zufuhrkanäle für ein Kühlmittel K
möglich. Zur Kühlungszwecken wird der Spalt 73 mit einem
Kühlmittel K, beispielsweise Kühlluft, beaufschlagt. Das
Kühlmittel K kühlt dabei die Hitzeschildsteine 26A, 26B von
der Kaltseite 33 her und dient überdies der Kühlung des
Befestigungsbolzens 37. Für eine effiziente Wärmeabfuhr ist
der Befestigungsbolzen 37, der hierzu vorteilhafterweise aus
einem Metall gefertigt ist. In einer möglichen
Ausführungsform weist der Befestigungsbolzen 37 in seinem
Endabschnitt 49 ein Gewinde auf, welches mit einem
Gegengewinde des Halteelements 53 im Eingriff ist, so dass
über die Schraubverbindung die Federkraft des Federelements
51 einstellbar ist. Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen
der Figuren 3 und 4 ist der Befestigungsbolzen 37 in einer
Ecke 71 oder einem Eckpunkt benachbarter Hitzeschildsteine
26A, 26B positioniert. Es ist aber auch möglich und bewegt
sich völlig im Rahmen des Befestigungskonzepts der Erfindung,
wenn der Befestigungsbolzen 37 an einer Kante benachbarter
Hitzeschildelemente 26A, 26B positioniert ist und auf diese
Weise die Hitzeschildelemente 26A, 26B gemeinsam an der
Tragstruktur 31 sicher und dauerhaft befestigt.For a better illustration of the combustion chamber 4 according to the invention
is a detail in Figure 5 in a sectional view
a lined with
Claims (17)
dadurch gekennzeichnet, dass ein Hitzeschildstein (26A, 26B) und ein dazu benachbarter Hitzeschildstein (26C, 26D) durch mindestens einen gemeinsamen Befestigungsbolzen (37) an der Tragstruktur (31) befestigt sind.Combustion chamber (4) for a gas turbine (1), whose combustion chamber wall (24) has on the inside a number of heat shield bricks (26, 26A, 26B, 26C, 26D) which are arranged substantially surface-wide next to one another and fastened to a support structure (31). each heat shield brick (26), 26A, 26B, 26C, 26D) having a cold side (33) facing the support structure (31) and a hot side (35) facing the cold side (33) and being exposed to a hot medium (M),
characterized in that a heat shield brick (26A, 26B) and a heat shield brick (26C, 26D) adjacent thereto are fastened to the support structure (31) by at least one common fastening bolt (37).
dadurch gekennzeichnet, dass die Hitzeschildsteine (26A, 26B, 26C, 26D) jeweils als ein Vieleck ausgestaltet sind, wobei ein gemeinsamer Befestigungsbolzen (37) an einer Ecke (71) positioniert ist.Combustion chamber (4) according to claim 1,
characterized in that the heat shield bricks (26A, 26B, 26C, 26D) are each configured as a polygon with a common mounting bolt (37) positioned at a corner (71).
dadurch gekennzeichnet, dass die Hitzeschildsteine (26A, 26B, 26C, 26D) als Dreiecke oder Vierecke ausgestaltet sind, die durch einen an einer Ecke positionierten gemeinsamen Befestigungsbolzen (37) an der Tragstruktur (31) befestigt sind.Combustion chamber (4) according to claim 2,
characterized in that the heat shield bricks (26A, 26B, 26C, 26D) are configured as triangles or squares fixed to the support structure (31) by a common fixing bolt (37) positioned at a corner.
dadurch gekennzeichnet, dass zur Demontage der Hitzeschildsteine (26, 26A, 26B, 26C, 26D) der Befestigungsbolzen (37) von der Heißseite (35) her zugänglich und lösbar ist.Combustion chamber (4) according to one of claims 1 to 3,
characterized in that for dismantling the heat shield bricks (26, 26A, 26B, 26C, 26D) of the fastening bolt (37) of the hot side (35) is accessible and detachable ago.
dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsbolzen (37) einen sich in axialer Richtung des Befestigungsbolzens (37) normal zur Heißseite im Querschnitt erweiternden Bolzenkopf (39) aufweist.Combustion chamber (4) according to one of claims 1 to 4,
characterized in that the fastening bolt (37) has a in the axial direction of the fastening bolt (37) normal to the hot side in cross-section widening bolt head (39).
dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzenkopf (39) mit einer Aufnahme (41) für ein Montagewerkzeug versehen ist.Combustion chamber (4) according to claim 5,
characterized in that the bolt head (39) is provided with a receptacle (41) for an assembly tool.
dadurch gekennzeichnet, dass im montierten Zustand der Bolzenkopf (39) in korresponierende Ausnehmungen (43) benachbarter Hitzeschildsteine (26A, 26B) abgesenkt ist.Combustion chamber (4) according to claim 5 or 6,
characterized in that in the mounted state, the bolt head (39) is lowered into corresponding recesses (43) of adjacent heat shield bricks (26A, 26B).
dadurch gekennzeichnet, dass der versenkte Bolzenkopf (39) plan mit der Heißseitenoberfläche (45) der Hitzeschildsteine (26A, 26B) abschließt.Combustion chamber (4) according to claim 7,
characterized in that the countersunk bolt head (39) is flush with the hot side surface (45) of the heat shield bricks (26A, 26B).
dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsbolzen (37) einen kegelförmig ausgestaltelten Bolzenkopf (39) aufweistCombustion chamber (4) according to one of claims 1 to 8,
characterized in that the fastening bolt (37) has a conically shaped bolt head (39)
gekennzeichnet durch einen metallischen Befestigungsbolzen (37).Combustion chamber (4) according to one of claims 1 to 9,
characterized by a metallic fastening bolt (37).
dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsbolzen (37) gegen eine Federkraft in axialer Richtung des Befestigungsbolzen (37) verschieblich ist.Combustion chamber (4) according to one of claims 1 to 10,
characterized in that the fastening bolt (37) against a spring force in the axial direction of the fastening bolt (37) is displaceable.
dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (31) wenigstens eine Wand (47) aufweist, durch die sich wenigstens ein Endabschnitt (49) des Befestigungsbolzens (37) erstreckt.Combustion chamber (4) according to one of claims 1 to 11,
characterized in that the support structure (31) has at least one wall (47) through which extends at least one end portion (49) of the fastening bolt (37).
dadurch gekennzeichnet, dass an dem Endabschnitt (49) des Befestigungsbolzens (37) ein Federelement (51) angreift.Combustion chamber (4) according to claim 12,
characterized in that at the end portion (49) of the fastening bolt (37) engages a spring element (51).
dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (51) eine Druckfeder ist.Combustion chamber (4) according to claim 13,
characterized in that the spring element (51) is a compression spring.
dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfeder (51) den Endabschnitt (49) umgibt.Combustion chamber (4) according to claim 14,
characterized in that the compression spring (51) surrounds the end portion (49).
dadurch gekennzeichnet, dass an dem Endabschnitt (49) ein Halteelement (53) angeordnet ist, wobei das Halteelement (53) ein Widerlager für das Federelement (51) bildet.Combustion chamber (4) according to one of claims 12 to 15,
characterized in that at the end portion (49) has a holding element (53) is arranged, wherein the holding element (53) forms an abutment for the spring element (51).
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