EP1577614A1 - Hitzeschild - Google Patents

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EP1577614A1
EP1577614A1 EP04006582A EP04006582A EP1577614A1 EP 1577614 A1 EP1577614 A1 EP 1577614A1 EP 04006582 A EP04006582 A EP 04006582A EP 04006582 A EP04006582 A EP 04006582A EP 1577614 A1 EP1577614 A1 EP 1577614A1
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EP
European Patent Office
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heat shield
profile
support structure
hot medium
groove
Prior art date
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EP04006582A
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English (en)
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EP1577614B1 (de
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Beate Seiler
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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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
    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • F23R3/60—Support structures; Attaching or mounting means
    • 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
    • F23M5/04—Supports for linings
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a heat shield on a Support structure for protecting the support structure and / or a Support structure comprehensive or connected to the support structure Wall against flowing hot gas, which number of The support structure of attached heat shield elements comprises, a Support structure for holding heat shield elements and a Heat shield element.
  • heat shields are used.
  • They are thermal highly loaded combustion chambers of gas turbines for protection the combustion chambers from excessive thermal stress with a heat shield lined.
  • the heat shield typically includes a number of surface arranged metallic or ceramic heat shield elements (hereinafter merely referred to as heat shield elements), that of a in the combustion chamber wall formed, usually metallic Support structure are kept.
  • the heat shield elements point one of the support structure facing cold side and a hot Medium facing hot side and shield the wall the combustion chamber and the supporting structure against the hot medium, about a hot combustion gas, making it an excessive thermal load of the combustion chamber wall and the Counteract support structure.
  • the grooves in the supporting structure inserted element holders are usually bolted to the support structure.
  • the element holders include in addition to the section for insertion into the grooves Head part, which in the groove of a hot side with the Cold side connecting circumferential surface of the heat shield element engages to fix it to the support structure.
  • the heat shield elements are arranged side by side under Spaltbemik comprehensive, ie between their peripheral surfaces are gaps in which the hot medium can penetrate.
  • the hot medium can reach the element holders. Since the metallic element holders would scale or melt at the temperatures prevailing in the combustion chamber, they are cooled by means of cooling air which flows through holes in the support structure into the gaps. This cooling air is taken from the compressor end of the gas turbine and is therefore no longer available to the combustion process, which leads to an increase in the NO x emission.
  • Another object of the present invention is to suitable heat shield element for the heat shield according to the invention to provide.
  • the first object is achieved by a heat shield according to claim 1, the second object by a heat shield element according to claim 6 and the third object by a support structure according to claim 11 solved.
  • the dependent claims contain advantageous Embodiments of the present invention.
  • a hot gas comprises a number on the support structure fortified heat shield elements, which, for example, from a be made of ceramic or a metallic material can.
  • the heat shield elements are inventively means a positive connection fixed to the support structure.
  • the connection between the heat shield element and support structure is achieved by positive locking, no metallic holding elements are more necessary, which would have to be cooled by means of cooling air.
  • a saving of cooling air and thereby a reduction of NO x emission is possible.
  • ceramic heat shields can endure the temperatures prevailing in the gas turbine combustors uncooled.
  • material can be saved since both the element holders and the fastening screws for fastening the element holders to the fastening structure are no longer needed.
  • heat shield elements in particular ceramic heat shield elements can be poured frequently, the shape of the supporting structure facing cold side of ceramic heat shield elements be chosen relatively freely, so they are so that they can be designed together with a corresponding one Shaping the support structure a good fit allows.
  • the inventive positive fastening of the heat shield elements on the support structure faces the stand
  • the technology is a completely different attachment principle.
  • the heat shield elements at their the support structure to be turned Cold side in each case at least one profile foot with Profile surfaces, wherein the profile surfaces first active surfaces represent for the form-liquid compound.
  • the support structure has at least one profile groove with profile surfaces, the second active surfaces for the positive connection represent and together with the profile surfaces of the Profile foot, so together with the first active surfaces, effective area pairs form for the positive connection.
  • heat shield elements in particular ceramic heat shield elements, as mentioned above, are usually poured the shape of the profile foot can be chosen relatively freely. This makes it possible for the profile foot and the profile groove to choose relatively simple shapes. This can help with the Production of heat shields achieved significant savings become, because otherwise in the state of the art no longer two complex formed grooves are introduced into the support structure but a wide, simpler shaped groove is sufficient. In addition, all cooling air holes as well all fixing holes for fixing the element holder to be omitted on the support structure.
  • the heat shield according to the invention extend the profile surfaces of the profile perpendicular to Flow direction of the hot medium, i. perpendicular to the axial direction the gas turbine. The same applies to the with the profile surfaces of the profile groove cooperating profile surfaces the profile feet of the heat shield elements. The heat shield elements are then against displacements in the axial direction secured the gas turbine.
  • Heat shields are the active surfaces of the heat shield elements and / or the at least one profile groove with a friction-reducing Coating provided so that the heat shield elements after inserting the profile foot into the profile groove easier to move along the groove. Thereby can be moved and thus placing the heat shield elements in the groove when building the heat shield easier.
  • a heat-resistant material is particularly suitable Teflon as the material for the friction-reducing coating.
  • a heat shield element according to the invention which in particular suitable for building a heat shield according to the invention is, has a cold side, the one of the heat shield element is to turn holding support structure.
  • the heat shield element also has cold side at least one profile foot with profile surfaces, which first active surfaces for a form-fitting Represent connection with the support structure.
  • Such a heat shield element is suitable for positive locking Connecting with a suitably formed support structure.
  • the profile surfaces can be arranged on the profile foot be that they attach to the appropriate after attaching Support structure perpendicular to the flow direction of the hot medium, i. perpendicular to the axial direction of the gas turbine, extend.
  • the profile foot of the heat shield element according to the invention may in particular be designed in such a way that peripheral surfaces of the heat shield element, which the Connect cold side with a hot side and after fixing on the support structure perpendicular to the flow direction extend the hot gas, have recesses or grooves, which the heat shield element in an actual shield part and divide the tread foot.
  • the actual shield part of the heat shield element can in particular in comparison unchanged to heat shield elements according to the prior art be educated.
  • the heat shield element in the profile groove too It can be a friction-reducing coating have, in particular formed as a Teflon coating can be.
  • a support structure according to the invention for a heat shield for Holding heat shield elements on one against a hot medium wall to be protected comprises a profile groove, which profile surfaces has, the active surfaces for a positive Includes connection with the heat shield elements.
  • the inventive Support structure allows, together with suitable Heat shield elements a heat shield according to the invention build.
  • the profile can perpendicular to the flow direction of the hot medium, i. perpendicular to Axial direction of the gas turbine, so that on the support structure to be fastened heat shield elements in the axial direction of Gas turbine are secured.
  • the profile surfaces of the support structure according to the invention can have a friction-reducing coating to place to simplify the heat shield elements in the profile groove.
  • the friction-reducing coating can in particular be a Teflon coating.
  • each profile groove at least one threading point for insertion of profile feet of heat shield elements in the respective Profile groove.
  • Fig. 1 shows a ceramic heat shield element according to the invention in a perspective view.
  • Fig. 2 shows a section of a support structure according to the invention in a perspective view.
  • Fig. 3 shows the positive connection of a ceramic Heat shield element with the support structure in a cut Side view.
  • FIG. 1 shows a ceramic heat shield element according to the invention for a hot gas leading combustion chamber of a gas turbine in a perspective view.
  • the heat shield element 10 includes a hot gas in the gas turbine combustor hot side facing 12, one of the heat shield element 10 holding support structure zuaddde cold side 14 and the Cold side 14 with the hot side 12 connecting peripheral sides or peripheral surfaces 16, 18.
  • Two of the peripheral surfaces, namely the peripheral surfaces 16 extend into the gas turbine combustor installed state of the heat shield element 10 perpendicular to the axial direction of the gas turbine combustor and thus perpendicular to the flow direction of the hot gas.
  • the two other peripheral sides 18, however, extend in the axial direction the gas turbine combustor, i. parallel to Flow direction of the hot gas.
  • In the built-in Condition perpendicular to the axial direction of the gas turbine extending Circumferential surfaces 16 are recesses or grooves 20 present which the heat shield element 10 in a proper Shield part 22 and a profile foot 24 divide.
  • the profile foot 24 is used to attach the heat shield element 10 in a profile groove 52 of a support structure 50 (see FIG 2).
  • the profile foot 24 has beveled surfaces 26, the active surfaces for producing a positive connection represent with the profile groove 52 of the support structure 50.
  • active surfaces 54 In the profiled groove 52 are also formed active surfaces 54, the complementary to the active surfaces 26 of the profile foot 24th are formed and in interaction with these the positive connection manufacture, which is the ceramic heat shield element in the groove 52 stops.
  • the profile edges compared to the profile edges 58, 59 of the profile groove 52 a greater distance from each other have, so the width of the profile groove 52 in the area the threading point 60 is increased, and that much that the profile foot 24 of the heat shield element 10 in the profile 52 can be used.
  • From the threading point 60 from the heat shield element 10 then to its destination within shifted the profile groove 52.
  • the profile surfaces 26 of the profile foot 24 or the profile surfaces 54 of the Profilnut 52 with a sliding friction-reducing coating be provided.
  • As material for the coating offers Teflon due to its high temperature resistance at.
  • both the profile surfaces 54 of the profile groove 52 and the profile surfaces 26 of the profile foot 24 provided with the friction-reducing coating be.

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Abstract

Ein erfindungsgemäßer Hitzeschild an einer Tragstruktur (50), insbesondere an einer metallischen Tragstruktur, zum Schutz der Tragstruktur (50) und/oder einer die Tragstruktur (50) umfassenden oder mit der Tragstruktur (50) verbundenen Wand gegen ein heißes Medium, bspw. ein strömendes Heißgas, umfasst eine Anzahl an der Tragstruktur (50) befestigter Hitzeschildelemente (10). Die Hitzeschildelemente (10) sind erfindungsgemäß mittels einer formschlüssigen Verbindung (24, 52) an der Tragstruktur (50) fixiert. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hitzeschild an einer Tragstruktur zum Schutz der Tragstruktur und/oder einer die Tragstruktur umfassenden oder mit der Tragstruktur verbundenen Wand gegen strömendes Heißgas, welcher einer Anzahl an der Tragstruktur befestigter Hitzeschildelemente umfasst, eine Tragstruktur zum Halten von Hitzeschildelementen sowie eine Hitzeschildelement.
In Brennkammern oder Flammrohren, die etwa Teil eines Brennofens, eines Heißgaskanals oder einer Gasturbine sein können und in denen ein heißes Medium erzeugt oder geführt wird, kommen Hitzeschilde zum Einsatz. Beispielsweise sind thermisch hoch belastete Brennkammern von Gasturbinen zum Schutz der Brennkammern vor zu hoher thermischer Beanspruchung mit einem Hitzeschild ausgekleidet. Der Hitzeschild umfasst typischerweise eine Anzahl flächendeckend angeordneter metallischer oder keramischer Hitzeschildelemente (im Folgenden lediglich als Hitzeschildelemente bezeichnet), die von einer in der Brennkammerwand ausgebildeten, in der Regel metallischen Tragstruktur gehalten werden. Die Hitzeschildelemente weisen eine der Tragstruktur zugewandte Kaltseite und eine dem heißen Medium zugewandte Heißseite auf und schirmen die Wandung der Brennkammer und die Tragstruktur gegen das heiße Medium, etwa ein heißes Verbrennungsgas, ab, wodurch sie einer übermäßigen thermischen Belastung der Brennkammerwand sowie der Tragstruktur entgegenwirken.
Bislang werden die keramischen Hitzeschildelemente mit Hilfe metallischer Elementhalter an einer Tragstruktur der Brennkammerwand, welche Nuten zum Einführen bestimmter Abschnitte der Elementhalter aufweist, befestigt. Die in Nuten der Tragstruktur eingeschobenen Elementhalter werden üblicherweise mit der Tragstruktur verschraubt. Die Elementhalter umfassen neben dem zum Einführen in die Nuten bestimmten Abschnitt einen Kopfteil, welcher in die Nut einer die Heißseite mit der Kaltseite verbindenden Umfangsfläche des Hitzeschildelementes eingreift, um dieses an der Tragstruktur zu fixieren. Ein derartiger Hitzeschild ist beispielsweise in EP 0 558 540 beschrieben.
Um eine Wärmeausdehnung der Hitzeschildelemente während des Betriebs der Brennkammer zu ermöglichen, sind die Hitzeschildelemente unter Spaltbelassung flächendeckend nebeneinander angeordnet, d.h. zwischen ihren Umfangsflächen sind Spalte vorhanden, in welche das heiße Medium eindringen kann. Durch die Spalte kann das heiße Medium zu den Elementhaltern gelangen. Da die metallischen Elementhalter bei den in der Brennkammer herrschenden Temperaturen verzundern bzw. schmelzen würden, werden sie mittels Kühlluft gekühlt, die durch Bohrungen in der Tragstruktur in die Spalte strömt. Diese Kühlluft wird am Verdichterende der Gasturbine entnommen und steht daher dem Verbrennungsprozess nicht mehr zur Verfügung, was zu einer Erhöhung der NOx-Emission führt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Hitzeschild zur Verfügung zu stellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein geeignetes Hitzeschildelement für den erfindungsgemäßen Hitzeschild zur Verfügung zu stellen.
Schließlich ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine geeignete Tragstruktur für den erfindungsgemäßen Hitzeschild zur Verfügung zu stellen.
Die erste Aufgabe wird durch ein Hitzeschild nach Anspruch 1, die zweite Aufgabe durch ein Hitzeschildelement nach Anspruch 6 und die dritte Aufgabe durch eine Tragstruktur nach Anspruch 11 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung.
Ein erfindungsgemäßer Hitzeschild an einer Tragstruktur, insbesondere an einer metallischen Tragstruktur, zum Schutz der Tragstruktur und/oder einer die Tragstruktur umfassenden oder mit der Tragstruktur verbundenen Wand gegen ein heißes Medium, bspw. ein Heißgas, umfasst eine Anzahl an der Tragstruktur befestigter Hitzeschildelemente, welche bspw. aus einem keramischen oder einem metallischen Material hergestellt sein können. Die Hitzeschildelemente sind erfindungsgemäß mittels einer formschlüssigen Verbindung an der Tragstruktur fixiert.
Da im erfindungsgemäßen Hitzeschild die Verbindung zwischen Hitzeschildelement und Tragstruktur per Formschluss erzielt wird, sind keine metallischen Halteelemente mehr nötig, die mittels Kühlluft gekühlt werden müssten. Somit ist eine Einsparung von Kühlluft und dadurch eine Verringerung der NOx-Emission möglich. Insbesondere keramische Hitzeschilde können die in den Gasturbinenbrennkammern herrschenden Temperaturen ungekühlt ertragen. Außerdem kann Material eingespart werden, da sowohl die Elementhalter als auch die Befestigungsschrauben zum Befestigen der Elementhalter an der Befestigungsstruktur nicht mehr benötigt werden.
Da Hitzeschildelemente, insbesondere keramische Hitzeschildelemente häufig gegossen werden, kann die Form der der Tragstruktur zuzuwendenden Kaltseite von keramischen Hitzeschildelementen relativ frei gewählt werden, so dass sie derart ausgestaltet werden kann, dass sie zusammen mit einer entsprechenden Formgebung der Tragstruktur einen guten Formschluss ermöglicht.
Die erfindungsgemäße formschlüssige Befestigung der Hitzeschildelemente an der Tragstruktur stellt gegenüber dem Stand der Technik ein völlig anderes Befestigungsprinzip dar.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Hitzeschildes weisen die Hitzeschildelemente an ihrer der Tragstruktur zuzuwendenden Kaltseite jeweils mindestens einen Profilfuß mit Profilflächen auf, wobei die Profilflächen erste Wirkflächen für die formflüssige Verbindung darstellen. Entsprechend besitzt die Tragstruktur mindestens eine Profilnut mit Profilflächen, die zweite Wirkflächen für die formschlüssige Verbindung darstellen und zusammen mit den Profilflächen des Profilfußes, also zusammen mit den ersten Wirkflächen, Wirkflächenpaare für den Formschluss bilden.
Da Hitzeschildelemente, insbesondere keramische Hitzeschildelemente, wie oben erwähnt, in der Regel gegossen werden, kann die Formgebung des Profilfußes relativ frei gewählt werden. Dies ermöglicht es, für den Profilfuß und die Profilnut relativ einfache Formen zu wählen. Dadurch können bei der Fertigung der Hitzeschilde deutliche Einsparungen erzielt werden, da anders im Stand der Technik nicht mehr zwei komplex geformte Nuten in die Tragstruktur eingebracht werden müssen, sondern eine breite, einfacher geformte Nut ausreicht. Außerdem können sämtliche Kühlluftbohrungen sowie sämtliche Befestigungsbohrungen für das Befestigen der Elementhalter an der Tragstruktur wegfallen.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Hitzeschildes erstrecken sich die Profilflächen der Profilnut senkrecht zur Strömungsrichtung des heißen Mediums, d.h. senkrecht zur Axialrichtung der Gasturbine. Entsprechendes gilt dann für die mit den Profilflächen der Profilnut zusammenwirkenden Profilflächen der Profilfüße der Hitzeschildelemente. Die Hitzeschildelemente sind dann gegen Verschiebungen in Axialrichtung der Gasturbine gesichert.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Hitzeschildes sind die Wirkflächen der Hitzeschildelemente und/oder der mindestens einen Profilnut mit einer reibungsvermindernden Beschichtung versehen, so dass sich die Hitzeschildelemente nach Einführen des Profilfußes in die Profilnut leichter entlang der Nut verschieben lassen. Dadurch lässt sich das Verschieben und damit Plazieren der Hitzeschildelemente in der Nut beim Aufbau des Hitzeschildes erleichtern. Als hitzebeständiges Material eignet sich insbesondere Teflon als Material für die reibungsvermindernde Beschichtung.
Ein erfindungsgemäßes Hitzeschildelement, welches insbesondere zum Aufbau eines erfindungsgemäßen Hitzeschildes geeignet ist, weist eine Kaltseite auf, die einer das Hitzeschildelement haltenden Tragstruktur zuzuwenden ist. Das Hitzeschildelement weist außerdem kaltseitig mindestens einen Profilfuß mit Profilflächen, welche erste Wirkflächen für eine formschlüssige Verbindung mit der Tragstruktur darstellen, auf. Ein derartiges Hitzeschildelement eignet sich zum formschlüssigen Verbinden mit einer geeignet ausgebildeten Tragstruktur.
Insbesondere können die Profilflächen derart am Profilfuß angeordnet sein, dass sie sich nach dem Befestigen an der geeigneten Tragstruktur senkrecht zur Strömungsrichtung des heißen Mediums, d.h. senkrecht zur Axialrichtung der Gasturbine, erstrecken. Der Profilfuß des erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass Umfangsflächen des Hitzeschildelementes, welche die Kaltseite mit einer Heißseite verbinden und sich nach dem Befestigen an der Tragstruktur senkrecht zur Strömungsrichtung des Heißgases erstrecken, Rücksprünge oder Nuten aufweisen, welche das Hitzeschildelement in einen eigentlichen Schildteil und den Profilfuß unterteilen. Der eigentliche Schildteil des Hitzeschildelementes kann dabei insbesondere im Vergleich zu Hitzeschildelementen nach Stand der Technik unverändert ausgebildet sein.
Um das Plazieren des Hitzeschildelementes in der Profilnut zu erleichtern, kann es eine reibungsvermindernde Beschichtung aufweisen, die insbesondere als Teflonbeschichtung ausgebildet sein kann.
Ein erfindungsgemäße Tragstruktur für einen Hitzeschild zum Halten von Hitzeschildelementen an einer gegen ein heißes Medium zu schützenden Wand umfasst eine Profilnut, welche Profilflächen aufweist, die Wirkflächen für eine formschlüssige Verbindung mit den Hitzeschildelementen umfasst. Die erfindungsgemäße Tragstruktur ermöglicht es, zusammen mit geeigneten Hitzeschildelementen einen erfindungsgemäßen Hitzeschild aufzubauen.
Insbesondere kann sich die Profilnut senkrecht zur Strömungsrichtung des heißen Mediums erstrecken, d.h. senkrecht zur Axialrichtung der Gasturbine, so dass die an der Tragstruktur zu befestigenden Hitzeschildelemente in axialer Richtung der Gasturbine gesichert sind.
Die Profilflächen der erfindungsgemäßen Tragstruktur können eine reibungsvermindernde Beschichtung aufweisen, um das Plazieren der Hitzeschildelemente in der Profilnut zu vereinfachen. Die reibungsvermindernde Beschichtung kann insbesondere eine Teflonbeschichtung sein.
In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Tragstruktur umfasst jede Profilnut mindestens eine Einfädelstelle zum Einführen von Profilfüßen von Hitzeschildelementen in die jeweilige Profilnut.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes keramisches Hitzeschildelement in einer perspektivischen Ansicht.
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Tragstruktur in einer perspektivischen Ansicht.
Fig. 3 zeigt die formschlüssige Verbindung eines keramischen Hitzeschildelementes mit der Tragstruktur in einer geschnittenen Seitenansicht.
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes keramisches Hitzeschildelement für eine Heißgas führende Brennkammer einer Gasturbine in einer perspektivischen Ansicht. Das Hitzeschildelement 10 umfasst einen dem Heißgas in der Gasturbinenbrennkammer zuzuwendende Heißseite 12, eine einer das Hitzeschildelement 10 haltenden Tragstruktur zuzuwendende Kaltseite 14 sowie die Kaltseite 14 mit der Heißseite 12 verbindende Umfangsseiten bzw. Umfangsflächen 16, 18. Zwei der Umfangsflächen, nämlich die Umfangsflächen 16, erstrecken sich im in die Gasturbinenbrennkammer eingebauten Zustand des Hitzeschildelementes 10 senkrecht zur Axialrichtung der Gasturbinenbrennkammer und damit senkrecht zur Strömungsrichtung des Heißgases. Die beiden anderen Umfangsseiten 18 erstrecken sich hingegen in Axialrichtung der Gasturbinenbrennkammer, d.h. parallel zur Strömungsrichtung des Heißgases. In den sich im eingebauten Zustand senkrecht zur Axialrichtung der Gasturbine erstreckenden Umfangsflächen 16 sind Rücksprünge oder Nuten 20 vorhanden, welche das Hitzeschildelement 10 in einen eigentlichen Schildteil 22 und einen Profilfuß 24 unterteilen.
Der Profilfuß 24 dient zum Befestigen des Hitzeschildelementes 10 in einer Profilnut 52 einer Tragstruktur 50 (siehe Figur 2). Der Profilfuß 24 weist abgeschrägte Flächen 26 auf, die Wirkflächen zum Herstellen einer formschlüssigen Verbindung mit der Profilnut 52 der Tragstruktur 50 darstellen. In der Profilnut 52 sind ebenfalls Wirkflächen 54 ausgebildet, die komplementär zu den Wirkflächen 26 des Profilfußes 24 ausgebildet sind und im Zusammenspiel mit diesen den Formschluss herstellen, welcher das keramische Hitzeschildelement in der Nut 52 hält.
Ein in die Nut 52 der Tragstruktur 50 eingesetztes keramisches Hitzeschildelement 10 ist in Figur 3 in einer geschnittenen Seitenansicht dargestellt. Zum Verbinden mit der Tragstruktur 50 wird das Hitzeschildelement 10 mit seinem Profilfuß 24 in die Profilnut 52 der Tragstruktur 50 eingeführt. Wenn das Hitzeschildelement 10 eingeführt ist, greifen die Profilkanten 58, 59 der Profilnut 52 in die Nuten 20 des Hitzeschildelementes 10 ein und stellen so den Formschluss her. Sobald der Formschluss hergestellt ist, bilden die Profilflächen 26 des Profilfußes 24 und die Profilflächen 54 der Profilnut 52 Wirkflächen, welche das Hitzeschildelement 10 mittels des Formschlusses in der Nut 52 halten und es damit an der Tragstruktur 50 fixieren.
Um ein Einführen des Profilfußes 24 des Hitzeschildelementes 10 in die Profilnut 52 zu ermöglichen, weist sie eine Einfädelstelle 60 auf, deren Profilkanten im Vergleich zu den Profilkanten 58, 59 der Profilnut 52 einen größeren Abstand voneinander haben, so dass die Weite der Profilnut 52 im Bereich der Einfädelstelle 60 vergrößert ist, und zwar soviel dass sich der Profilfuß 24 des Hitzeschildelementes 10 in die Profilnut 52 einsetzen lässt. Von der Einfädelstelle 60 aus wird das Hitzeschildelement 10 dann an seinen Bestimmungsort innerhalb der Profilnut 52 verschoben. Um das Verschieben innerhalb der Profilnut 52 zu erleichtern, können die Profilflächen 26 des Profilfußes 24 oder die Profilflächen 54 der Profilnut 52 mit einer die Gleitreibung vermindernden Beschichtung versehen sein. Als Material für die Beschichtung bietet sich aufgrund seiner hohen Temperaturresistenz Teflon an. Selbstverständlich können auch sowohl die Profilflächen 54 der Profilnut 52 als auch die Profilflächen 26 des Profilfußes 24 mit der reibungsvermindernden Beschichtung versehen sein. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn auch die Kaltseite 14 des Hitzeschildelementes sowie der Profilboden 56 der Profilnut 52 mit der reibungsvermindernden Beschichtung versehen sind. Wenn alle Hitzeschildelemente 10 in die Profilnut 52 eingesetzt sind, wird die Einfädelstelle 60 mit einem speziellen Hitzeschildelement (nicht dargestellt) verschlossen. Dieses Hitzeschildelement kann beispielsweise in konventioneller Weise mittels Elementhaltern in der Nut befestigt werden.
Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem nur die Steinhalter in die Nuten eingeschoben werden, werden die Hitzeschildelemente in der vorliegenden Erfindung direkt in die Nuten der Tragstruktur eingeschoben, ohne dass metallische Halter nötig wären.

Claims (15)

  1. Hitzeschild an einer Tragstruktur (50) zum Schutz der Tragstruktur (50) und/oder einer die Tragstruktur (50) umfassenden oder mit der Tragstruktur (50) verbundenen Wand gegen ein heißes Medium, welcher eine Anzahl an der Tragstruktur (50) befestigter Hitzeschildelemente (10) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Hitzeschildelemente (10) mittels einer formschlüssigen Verbindung (24, 52) an der Tragstruktur (50) fixiert sind.
  2. Hitzeschild nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Hitzeschildelemente (10) jeweils eine der Tragstruktur (50) zuzuwendende Kaltseite (14) aufweisen und jeweils kaltseitig mindestens einen Profilfuß (24) mit Profilflächen (26), welche erste Wirkflächen für die formschlüssige Verbindung darstellen, besitzen, und
    die Tragstruktur (50) mindestens eine Profilnut (52) mit Profilflächen (54) aufweist, wobei die Profilflächen (54) der Profilnut (52) zweite Wirkflächen für die formschlüssige Verbindung darstellen und zusammen mit den Profilflächen (26) des Profilfußes (24) Wirkflächenpaare für den Formschluss bilden.
  3. Hitzeschild nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das heiße Medium ein strömendes heißes Medium ist und sich die Profilflächen (54) der Profilnut (52) senkrecht zur Strömungsrichtung des heißen Mediums erstrecken.
  4. Hitzeschild nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkflächen (26, 54) des Profilfußes(24) und/oder der mindestens einen Profilnut (52) mit einer reibungsvermindernden Beschichtung versehen sind.
  5. Hitzeschild nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die reibungsvermindernde Beschichtung eine Teflon-Beschichtung ist.
  6. Hitzeschildelement, insbesondere zum Aufbau eines Hitzeschildes nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Kaltseite (14), welche einer das Hitzeschildelement (10) haltenden Tragstruktur (50) zuzuwenden ist, dadurch gekennzeichnet, dass kaltseitig mindestens ein Profilfuß (24) mit Profilflächen (26), welche erste Wirkflächen für eine formschlüssige Verbindung mit der Tragstruktur (50) darstellen, vorhanden ist.
  7. Hitzeschildelement nach Anspruch 6, insbesondere zum Aufbau eines Hitzeschildes nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilflächen (26) derart am Profilfuß (24) angeordnet sind, dass sie sich nach dem Befestigen an der Tragstruktur (50) senkrecht zur Strömungsrichtung des heißen Mediums erstrecken.
  8. Hitzeschildelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es die Kaltseite (14) mit einer dem heißen Medium zuzuwendenden Heißseite (12) verbindende Umfangsflächen (16, 18) besitzt, wobei in denjenigen Umfangsflächen (16), die sich nach dem Befestigen an der Tragstruktur (50) senkrecht zur Strömungsrichtung des heißen Mediums erstrecken, Nuten (20) vorhanden sind, die das Hitzeschildelement (10) in einen Schildteil (22) und den Profilfuß (24) unterteilen.
  9. Hitzeschildelement nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilflächen (26) eine reibungsvermindernde Beschichtung aufweisen.
  10. Hitzeschildelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die reibungsvermindernde Beschichtung eine TeflonBeschichtung ist.
  11. Tragstruktur für einen Hitzeschild zum Halten von Hitzeschildelementen (10) an einer gegen ein heißes Medium zu schützenden Wand mit mindestens einer Profilflächen (54) aufweisenden Profilnut (52), dadurch gekennzeichnet, dass die Profilflächen (54) Wirkflächen zum Herstellen einer formschlüssigen Verbindung mit Wirkflächen (26) der Hitzeschildelemente (10) bilden.
  12. Tragstruktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das heiße Medium ein strömendes heißes Medium ist und sich die Profilnut (52) senkrecht zur Strömungsrichtung des heißen Mediums erstreckt.
  13. Tragstruktur nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilflächen (54) eine reibungsvermindernde Beschichtung aufweisen.
  14. Hitzeschildelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die reibungsvermindernde Beschichtung eine TeflonBeschichtung ist.
  15. Tragstruktur nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass jede Profilnut (52) eine Einfädelstelle (60) zum Einführen von Profilfüßen (24) von Hitzeschildelementen (10) in die jeweilige Profilnut (52) aufweist.
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