EP1701095B1

EP1701095B1 - Hitzeschild

Info

Publication number: EP1701095B1
Application number: EP05002511A
Authority: EP
Inventors: Andreas Heilos
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-02-07
Filing date: 2005-02-07
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2025-02-07
Also published as: US20060176671A1; US7779637B2; CN1818527A; JP5105745B2; JP2006220409A; ES2378375T3; EP1701095A1; CN1818527B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hitzeschild an einer Tragstruktur mit einer Anzahl von Hitzeschildelementen, welche unter Belassung von Spalten zwischen benachbarten Hitzeschildelementen flächendeckend an der Tragstruktur befestigt sind, mit einer Anzahl Halteelementen, mit denen die Hitzeschildelemente an der Tragstruktur befestigt sind und die einen in die Hitzeschildelemente ein greifenden Greifabschnitt aufweisen, und mit einem Kühlsystem zum Kühlen der Halteelemente. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Hitzeschildelement sowie ein Halteelement zum Halten eines Hitzeschildelementes an einer Tragstruktur.
Hitzeschilde kommen beispielsweise 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, zum Einsatz. So werden beispielsweise thermisch hochbelastete Gasturbinenbrennkammern zum Schutz vor übermäßiger thermischer Beanspruchung mit einem Hitzeschild ausgekleidet. Der Hitzeschild umfasst typischerweise eine Anzahl flächendeckend an einer Tragstruktur angeordneter Hitzeschildelemente, welche die Wandung der Brennkammer gegen das heiße Verbrennungsabgas abschirmen. Um die thermische Ausdehnung der Hitzeschildelemente bei Kontakt mit den heißen Verbrennungsabgasen nicht zu behindern, werden diese unter Belassung von Spalten zwischen benachbarten Hitzeschildelementen an der Tragstruktur befestigt.
Die EP 1 126 221 A1 offenbart ein Hitzeschildelement zur Auskleidung einer Brennkammerwand einer Gasturbine. Das Hitzeschildelement umfasst eine Heiß- und eine Kaltseite, wobei eine die Heiß- mit der Kaltseite verbindende Umfangsseite eine Nut aufweist, welche einen Eingriffsabschnitt aufweist, wobei der Materialabschnitt zwischen der Nut und der Kaltseite einen Halteriegel bildet. In die Nut greift ein Halteelement zum Halten des Hitzeschildes an einer Tragstruktur mit einem Halterkopf und einem Befestigungsabschnitt.
Ein derartiger Hitzeschild an einer Tragstruktur ist beispielsweise in EP 0 558 540 B1 beschrieben. In diesem Hitzeschild weisen keramische Hitzeschildelemente eine dem heißen Abgas zuzuwendende Heißseite, eine der Heißseite gegenüberliegende Kaltseite sowie vier die Heißseite mit der Kaltseite verbindende Umfangsseiten auf. Zwei einander abgewandte Umfangsseiten weisen dabei Nuten auf, in welche Greifabschnitte von Haltern eingreifen können. Die Halter weisen einen Befestigungsabschnitt zum Befestigen an der Tragstruktur sowie einen Haltekopf mit dem Greifabschnitt auf. Zum Befestigen der Hitzeschildelemente an der Tragstruktur werden die Befestigungsabschnitte an der Tragstruktur fixiert und die Greifabschnitte der Halteköpfe in Eingriff mit den Nuten der Hitzeschildelemente gebracht.
Die Halter sind aus Metall hergestellt und weisen Federeigenschaften auf. Die Federeigenschaften ermöglichen ein Nachgeben des Haltekopfes bei einer thermisch bedingten Ausdehnung der Hitzeschildelemente und verhindern dadurch Rissbildung in den Hitzeschildelementen bzw. ein Brechen der Halteelemente. Zudem ermöglicht die Federwirkung in gewissen Grenzen eine Beweglichkeit der Hitzeschildelemente relativ zur Tragstruktur.
Damit die thermische Ausdehnung und/oder die Beweglichkeit der Hitzeschildelemente nicht durch benachbarte Hitzeschildelemente beeinträchtigt wird, sind diese in EP 0 558 540 B1 unter Belassung von Spalten zu den benachbarten Hitzeschildelementen angeordnet. Durch die Spalte kann jedoch Heißgas in Richtung auf die metallischen Halter in den Hitzeschild eindringen. Da die metallischen Halter in der Regel thermisch weniger belastbar sind als die keramischen Hitzeschildelemente, werden die Spalte mit Kühlluft gespült, um ein Eindringen des heißen Gases in die Spalte zu verhindern. Die Spülung führt zu einem Luftmassenstrom, welcher durch die Spalte in die Brennkammer eintritt und die Spalte dadurch gegen Eindringen der heißen Gase sperrt. Zur Kühlung ist jedem Halteelement ein Kanal zum Zuführen eines Kühlfluids zugeordnet. Die Sperrung der Spalte zwischen den Hitzeschildelementen erfolgt dabei jedoch nicht gleichmäßig, was dazu führt, dass für eine sichere Sperrung mehr Kühlluft erforderlich ist, als theoretisch zur Spaltsperrung nötig wäre.
Der zur Sperrung der Spalte erforderliche Luftmassenstrom steht nicht zur Verbrennung zur Verfügung und führt zu einer Verschlechterung des Potentials der NOx-Minimierung. Desweiteren ist aufgrund der Geometrie und der Anordnung der Halter eine effektive Kühlung der dem Heißgas ausgesetzten Halteköpfe erschwert.
Gegenüber diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hitzeschild an einer Tragstruktur zur Verfügung zu stellen, in dem eine vorteilhafte Kühlung von die Hitzeschildelemente des Hitzeschildes haltenden Halteelementen möglich ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein vorteilhaftes Halteelement zum Halten eines wenigstens eine Nut aufweisenden Hitzeschildelementes an einer Tragstruktur zur Verfügung zu stellen.
Außerdem ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Hitzeschildelement zur Verfügung zu stellen, welches in vorteilhafter Weise eine Kühlung eines das Hitzeschildelement haltenden Haltelements ermöglicht.
Die erste Aufgabe wird durch einen Hitzeschild nach Anspruch 10, die zweite Aufgabe durch ein Halteelement nach Anspruch 1 und die dritte Aufgabe durch ein Hitzeschildelement nach Anspruch 7 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Ein erfindungsgemäßes Haltelement zum Halten eines wenigstens eine Nut aufweisenden Hitzeschildelementes an einer Tragstruktur umfasst einen Halterkopf, welcher einen zum Eingriff in die Nut des Hitzeschildelementes geeignet ausgebildeten Greifabschnitt und einen zum Befestigen des Halteelementes an der Tragstruktur geeignet ausgebildeten Befestigungsabschnitt aufweist. Im erfindungsgemäßen Halteelement ist wenigstens eine Durchgangsöffnung im Befestigungsabschnitt derart angeordnet und ausgebildet, dass bei an der Tragstruktur befestigtem Befestigungsabschnitt ein direktes Zuführen von Kühlfluid zum Greifabschnitt durch die Durchgangsöffnung hindurch von der Tragstruktur aus möglich ist.
Das direkte Zuführen des Kühlfluids zum Greifabschnitt des Halteelementes ermöglicht es, diesen effektiv zu kühlen, ohne zwingend den gesamten Spalt zwischen benachbarten Hitzeschildelementen mit Sperrluft sperren zu müssen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung, die einen besonders geringen Sperrluftverbrauch ermöglicht und in welcher der Greifabschnitt eine einem heißen Medium zuzuwendende Heißfläche und eine von der Heißfläche abgewandte angeordnete Kaltfläche aufweist, ist die Durchgangsöffnung derart angeordnet, dass das Kühlfluid zur Kaltfläche zuführbar ist. Auf diese Weise muss das der Kaltfläche zugeführte Kühlfluid zuerst die Kaltfläche umströmen, bevor es in den Spalt zwischen benachbarten Hitzeschildelementen eindringen kann. Beim Umströmen der Kaltfläche wird diese gekühlt, sodass die gleiche Kühlleistung wie im Stand der Technik mit einer geringeren Menge an Kühlfluid zu erzielen ist.
Die Kühlleistung lässt sich weiter erhöhen, wenn die Durchgangsöffnung derart im Befestigungsabschnitt angeordnet ist, dass wenigstens ein Abschnitt der Kaltfläche direkt mit Kühlfluid aus einer Richtung anzublasen ist, die einen spitzen Winkel mit der Oberflächennormalen des angeblasenen Abschnitts einschließt. Diese Ausgestaltung ermöglicht insbesondere eine effektive Prallkühlung der Kaltfläche, d.h. eine Kühlung, in der ein Kühlfluidstrahl auf die zu kühlende Fläche prallt. Nach dem Aufprallen auf den angeblasenen Abschnitt der Kaltfläche strömt das Kühlfluid entlang der übrigen Abschnitte der Kaltfläche in den Spalt zwischen den Hitzeschildelementen. Dabei führt das strömende Kühlfluid zu einer konvektiven Kühlung der übrigen Bereiche des Greifabschnittes.
Im erfindungsgemäßen Halteelement kann die Durchgangsöffnung als Langloch ausgebildet sein. Die Ausbildung als Langloch vergrößert den Spielraum beim Befestigen des Halteelementes and der Tragstruktur ohne die Möglichkeit des direkten Zuführens von Kühlfluid zum Greifabschnitt zu beeinträchtigen. Außerdem kann das Langloch auch derart ausgebildet sein, dass es gleichzeitig als Demontageloch Verwendung finden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halteelementes weist der Greifabschnitt einen Längsquerschnitt auf, welcher eine Wölbung besitzt, deren Bauch vom Befestigungsabschnitt wegweist. Auf diese Weise lässt sich zwischen dem Greifabschnitt des Halteelementes und einem gehaltenen Hitzeschildelement ein Kühlfluidkanal ausbilden, der einerseits durch das Hitzeschildelement und andererseits durch den gewölbten Greifabschnitt gebildet wird. Je nach Ausprägung der Wölbung lässt sich dabei ein größerer oder kleinerer Strömungsquerschnitt für das Kühlfluid schaffen, so dass dieser optimal an die erforderliche Kühlleistung angepasst werden kann.
Der Bedarf an Kühlfluid kann noch weiter verringert werden, wenn die Heißfläche des Greifabschnittes eine wärmedämmende Beschichtung aufweist. Zusätzlich oder alternativ kann die Heißfläche auch mit einer korrosionshemmenden und/oder oxidationshemmenden Beschichtung versehen sein. Alle Wirkungen können dabei auch in einer einzigen Beschichtung realisiert sein.
Ein erfindungsgemäßes Hitzeschildelement umfasst eine einem heißen Medium zuzuwendende Heißseite, eine der Heißseite gegenüberliegende Kaltseite und die Heißseite mit der Kaltseite verbindende Umfangsseiten. In wenigstens einer der Umfangsseiten ist eine Nut ausgebildet, welche wenigstens einen für den Eingriff eines Greifabschnittes eines Halteelementes geeignet ausgebildeten Eingriffsabschnitt aufweist. Der Materialabschnitt zwischen der Nut und der Kaltseite bildet einen Halteriegel, welcher im Bereich des Eingriffsabschnittes wenigstens eine die Nut zur Kaltseite hin öffnende Aussparung aufweist.
Die Aussparung im Halteriegel ermöglicht es, einem in die Nut des Hitzeschildelementes eingreifenden Halteabschnitt eines Halteelementes Kühlfluid direkt zuzuführen und so die Kühlwirkung im Bereich des Greifabschnittes zu verbessern.
Insbesondere können Nuten mit die jeweilige Nut zur Kaltseite hin öffnenden Aussparungen in wenigstens zwei einander abgewandten Umfangsseiten des Hitzeschildelementes vorhanden sein. Dies ermöglicht es, das Hitzeschildelement an zwei einander abgewandten Seiten mit direkt zu kühlenden Halteelementen zu halten und so mit den direkt zu kühlenden Halteelementen eine das Hitzeschildelement haltende Klammerwirkung zu erzielen.
Eine besonders hohe Widerstandsfähigkeit und Wärmedämmfähigkeit bietet das erfindungsgemäße Hitzeschildelement, wenn es als keramisches Hitzeschildelement ausgebildet ist.
Ein erfindungsgemäßer Hitzeschild an einer Tragstruktur umfasst eine Anzahl Hitzeschildelemente, welche unter Belassung von Spalten zwischen benachbarten Hitzeschildelementen flächendeckend an der Tragstruktur befestigt sind, eine Anzahl Haltelemente, mit denen die Hitzeschildelemente an der Tragstruktur befestigt sind und die einen in die Hitzeschildelemente eingreifenden Greifabschnitt aufweisen, sowie ein Kühlsystem zum Kühlen der Halteelemente. Im erfindungsgemäßen Hitzeschild ist das Kühlsystem derart ausgebildet, dass ein direktes Zuführen von Kühlfluid zu den Greifabschnitten der Haltelemente möglich ist.
Mit der aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Hitzeschildes möglichen effektiven Kühlung der kritischen Bereiche der metallischen Halteelemente, nämlich der Greifabschnitte, können die Anforderungen an die Sperrung der Spalte zwischen benachbarten Hitzeschildelemente vermindert werden. Dadurch ergibt sich ein verminderter Kühlluftverbrauch. Infolge der Absenkung des Kühl-/Sperrluftverbrauchs kann die Verbrennungstemperatur absinken und so die thermische Spannungsbelastung in den Hitzeschildelementen vermindert werden. Zudem werden die NOx-Emissionen positiv beeinflusst. So können entweder die NOx-Emissionen einer mit dem erfindungsgemäßen Hitzeschild ausgestatteten Gasturbinenanlage bei gleicher Leistung wie die einer Gasturbinenanlage nach Stand der Technik gesenkt bzw. die Leistung und der Wirkungsgrad bei gleichbleibenden NOx-Emissionen erhöht werden. Außerdem verringert die Verminderung der Beanspruchung der Hitzeschilde die Austauschraten der Hitzeschildelemente sowie das Risiko eines Verlusts eines Hitzeschildelementes.
Eine besonders effektive Kühlung der Greifabschnitte der Haltelemente im Hitzeschild ist möglich, wenn das Kühlsystem derart ausgelegt ist dass eine Prallkühlung der Greifabschnitte möglich ist.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Hitzeschildes umfasst das Kühlsystem eine Anzahl von in der Tragstruktur angeordneten Kühlfluidöffnungen zum Ausblasen eines Kühlfluids. Außerdem sind die Hitzeschildelemente wenigstens zum Teil als erfindungsgemäße Hitzeschildelemente und die Halteelemente wenigstens zum Teil als erfindungsgemäße Halteelemente ausgebildet. Die Halteelemente sind derart an der Tragstruktur befestigt und die Hitzeschildelemente derart von den Halteelementen gehalten, dass die Durchgangsöffnungen der Halteelemente jeweils mit einer Kühlfluidöffnung der Tragstruktur und einer Aussparung eines Hitzeschildelementes fluchten. Diese Ausgestaltung ermöglicht insbesondere eine Prallkühlung der Greifabschnitte der Halteelemente, in der ein aus einer Kühlfluidöffnung austretender Kühlfluidstrahl ungehindert auf die Kaltseite des Greifabschnittes eines Hitzeschildelementes prallt.
Zusätzlich kann das Kühlsystem weitere Kühlfluidöffnungen umfassen, die derart in der Tragstruktur angeordnet sind, dass aus ihnen austretendes Kühlfluid in Richtung auf Befestigungsabschnitte von Haltelementen austritt. Insbesondere können diese weiteren Kühlfluidöffnungen derart in der Tragstruktur angeordnet sein, dass das aus ihnen austretende Kühlfluid zu einer Prallkühlung der Befestigungsabschnitte führt.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden. Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Elementhalter in einer perspektivischen Darstellung.
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Elementhalter in einer vergrößerten Darstellung.
Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Elementhalter und ein erfindungsgemäßes Hitzeschildelement in einer geschnittenen Seitenansicht.
Fig. 4 zeigt den Elementhalter und das Hitzeschildelement aus Fig. 3 in einer ausschnittsweisen perspektivischen Darstellung.
Fig. 5 zeigt das Hitzeschildelement aus Fig. 4 ohne das Halteelement.
Fig. 6 zeigt zwei Hitzeschildelemente eines Hitzeschildes, die mittels Elementhaltern an einer Tragstruktur befestigt sind.
Fig. 7 zeigt ein Hitzeschildelement und einen Elementhalter gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in einer geschnittenen Seitenansicht.

Ein erfindungsgemäßes Halteelement ist in Figur 1 in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Das Halteelement 1 ist aus Metall hergestellt und umfasst einen Befestigungsabschnitt 3, auch Haltefeder genannt, mit dem das Halteelement 1 an einer Tragstruktur einer Brennkammerwand, beispielsweise der Brennkammerwand einer Gasturbinenanlage befestigt werden kann.
Die Halteelemente sind an der Tragstruktur 30 in einer Nut 31 geführt (vgl. Fig. 5). Hierbei greift ein verbreiterter Abschnitt 4 des Befestigungsabschnittes 3, der sog. Schuh des Haltelementes 1, eng toleriert in eine parallel zur Oberfläche der Tragstruktur 30 eingelassene ca. 10 mm tiefe Nut 31 ein. Die Nut 31 ist so ausgeführt, dass sie nur im Nutgrund 33 die für das Einschieben der Schuhe 4 erforderliche Breite hat. Bei einem Hochziehen des Haltelementes 1 in der Nut 31 stützt dieses sich an dem engen Bereich 35 der Nut 31 ab, wodurch eine das Haltelement 1 haltende Haltekraft vermittelt wird. Der nicht verbreiterte Teil des Befestigungsabschnitts 3 kann ungehindert in der Nut 31 angehoben werden. Die Befestigungsöffnung 5 im Schuh 4 dient zur Fixierung mancher Haltelemente 1 in Nutrichtung. Üblicherweise wird ein Hitzeschildelement an zwei gegenüberliegenden Seiten von jeweils zwei Haltelementen 1, also insgesamt von vier Haltelementen 1, gehalten. Die Haltelemente 1 an einer der beiden Seiten sind mit sich durch die Befestigungsöffnung 5 der Befestigungsabschnitte 3 erstreckenden Arretiermaden gesichert. Die Befestigungsabschnitte 3 der an der anderen Seite angeordneten Halteelemente 1 sind nicht gesichert, sodass sie gleiten können, um die thermische Dehnung des Hitzeschildelementes nicht zu behindern.
An dem dem Ende mit der Befestigungsöffnung 5 gegenüberliegenden Ende der Haltefeder 3 ist ein Halterkopf 7 ausgebildet, welcher einen im Wesentlichen rechtwinklig zur Haltefeder 3 angewinkelten Abschnitt 9 sowie ein Greifabschnitt 11, der wiederum im Wesentlichen senkrecht zum Abschnitt 9 abgewinkelt ist, aufweist. Der Greifabschnitt 11, auch Greiflasche genannt, dient zum Eingriff in die Nut eines Hitzeschildelementes. Ein Hitzeschildelement kann durch Eingriff von Greiflaschen 11 von Halteelementen 1, die an einer Tragstruktur befestigt sind in die Nuten einander abgewandter Seiten des Hitzeschildelementes mit der Tragstruktur verklammert werden (siehe Fig. 3).
Das Halteelement 1 umfasst im Bereich des Übergangs von der Haltefeder 3 zum Abschnitt 9 eine sich wenigstens teilweise durch die Haltefeder 3 erstreckende Öffnung, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Langloch 13 ausgebildet ist und ein Anblasen der der Haltefeder 3 zugewandten Seite der Greiflasche 11 mit Kühlluft ermöglicht. Ein Ausschnitt des Halteelementes 1 mit der Haltefeder 3, dem Abschnitt 9 sowie dem Langloch 13 ist in Figur 2 vergrößert dargestellt.
Figur 3 zeigt als ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Hitzeschildelement ein keramisches Hitzeschildelement 15, mit einer Heißseite 17, einer Kaltseite 19 sowie die Heißseite 17 mit der Kaltseite 19 verbindenden Umfangsseiten 21 in einer geschnittenen Seitenansicht. Zwei einander abgewandte Umfangsseiten 21, von denen in Figur 3 lediglich eine zu erkennen ist, weisen Nuten 23 auf, in die die Greiflaschen 11 von Haltelementen 1 eingreifen können. Der Materialabschnitt zwischen der Nut 23 und der Kaltseite 19 des Hitzeschildelementes 15 bildet einen Halteriegel 25, der ein Verklammern des Hitzeschildelementes 15 an der Tragstruktur mittels eines in die Nut 23 eingreifenden Halteelementes 1 an ermöglicht. Der Eingriff des Halteelementes 1 in die Nut 23 des Hitzeschildelementes 15 erfolgt mittels der Greiflasche 11, die an der kaltseitigen Nutwand zur Anlage kommt.
Das Halteelement 1 weist federelastische Eigenschaften auf, welche ein problemloses Einführen der Greiflasche 11 in die Nut 23 und ein sicheres Halten des keramischen Hitzeschildelementes 15 an der Tragstruktur ermöglichen.
Da benachbarte Hitzeschildelemente 15 unter Spaltbelassung aneinander grenzen (Figur 6), ist die dem Halteriegel 25 abgewandte Oberfläche der Greiflasche 11, die im folgenden Heißfläche 27 genannt wird, dem Angriff von in den Spalt 14 eindringendem Heißgas ausgesetzt. Um die thermische Belastung des metallischen Halteelementes 1 im Bereich der Greiflasche 11 zu vermindern, erfolgt ein Anblasen der der Heißfläche 27 abgewandten Fläche 29 der Greiflasche 11, im folgenden Kaltfläche 29 genannt, mit Kühlluft, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Kühlfluid dient.
Kühlluft wird über in der Tragstruktur 30 vorhandene Kühlluftkanäle 32 zugeführt und in Richtung auf die Kaltseite 29 der Greiflasche 11 ausgeblasen. Die ausgeblasene Kühlluft tritt durch das Langloch 13 in Richtung auf die Kaltfläche 29 durch das Halteelement 1 hindurch. Um den Durchtritt der Kühlluft auch durch den Halteriegel 25 des keramischen Hitzeschildelementes 15 zu ermöglichen, weist dieser im Bereich der Greiflasche 11 eine Aussparung 26 auf. Zur Verdeutlichung zeigen die Figuren 4 und 5 ausschnittsweise eine perspektivische Darstellung des keramischen Hitzeschildelementes 15, einmal mit der Greiflasche 11 eines Haltelementes 1 im Eingriff mit der Nut 23 (Figur 4) und einmal ohne Haltelement 1 (Figur 5).
Die aus den Kühlluftkanälen 32 ausgeblasene Kühlluft kann durch das Langloch 13 und die Aussparung 26 ungehindert die Kaltfläche 29 der Greiflasche 11 erreichen und trifft dort im Wesentlichen senkrecht auf die Kaltfläche 29 auf. Im Wesentlichen senkrecht soll hierbei dahingehend zu verstehen sein, dass die Anströmrichtung mit der Oberflächennormale der Kaltfläche 29 in demjenigen Bereich, in dem die Kühlluft auf die Kaltfläche 29 auftrifft, einen spitzen Winkel, vorzugsweise einen Winkel von maximal 20° einschließt. Dadurch wird eine sogenannte Prallkühlung möglich, die eine besonders effektive Kühlung der Greiflasche 11 gewährleistet.
Die auf die Kaltseite 29 aufprallende Kühlluft wird abgelenkt und strömt an der Kaltfläche 29 entlang durch den zwischen dem Halteriegel 25 und der Kaltfläche 29 gebildeten Strömungskanal. An den beiden Enden 22 und 24 der Greiflasche 11 tritt die Kühlluft schließlich aus diesem Strömungskanal in den Spalt 14 zwischen den Hitzeschildelementen 15 aus. Die Kühlung der Greiflasche 11 erfolgt dabei in demjenigen Bereich, in dem die Kühlluft auf die Kaltfläche 29 prallt als Prallkühlung und in den Bereichen, in denen die Kühlluft an der Kaltfläche 29 entlang strömt, konvektiv. Ebenso erfolgt die Kühlung des Abschnittes 9 konvektiv.
In der Tragstruktur 30 sind außerdem optionale zweite Kühlluftkanäle 34 angeordnet, durch deren Öffnung Kühlluft in Richtung auf die der Tragstruktur zugewandte Seite der Haltefeder 3 ausgeblasen wird. Die aus den Kühlluftkanälen 34 ausgeblasene Kühlluft strömt dann an den Haltefedern 3 entlang und führt so zu einer Konvektivkühlung der Haltefedern. Die zur Konvektivkühlung der Haltefedern 3 dienende Kühlluft tritt schließlich durch die Spalte 14 zwischen benachbarten Hitzeschildelementen 15 in die Brennkammer ein, wobei sie auch zur Konvektivkühlung der Abschnitte 9 der Halterköpfe 7 dient. Im Vergleich zu Hitzeschilden nach Stand der Technik können die Öffnungen der Kühlluftkanäle 34 jedoch in ihren Dimensionen verringert sein.
Da im Gegensatz zum Stand der Technik auch eine Kühlung der Innenseite des Halterkopfes 7, und insbesondere der Greiflasche 11, erfolgt, lässt sich im erfindungsgemäßen Hitzeschild eine verbesserte Kühlwirkung erzielen. Diese kann dazu genutzt werden, den Kühlluftausstoß, und damit den Fluss an Kühlluft in die Brennkammer, zu vermindern.
Der Kühlluftverbrauch kann weiter verringert werden, wenn die Heißfläche 27 der Greiflasche 11 mit einer wärmedämmenden Beschichtung, einer sogenannten Thermal Barrier Coating (TBC) versehen ist. Zusätzlich oder alternativ kann auch eine korrosions- und/oder oxidationshemmende Beschichtung vorhanden sein.
Eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Haltelementes ist in Figur 7 zusammen mit einem keramischen Hitzeschildelement 15 in einer geschnittenen Seitenansicht dargestellt. Das Haltelement 101 gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich vom Halteelement 1 gemäß der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Greiflasche 111 des Halterkopfes 107 eine Wölbung 112 aufweist, deren Bauch von der Haltefeder 103 wegweist. Dadurch lässt sich die Abströmung der auf die Kaltfläche 129 der Greiflasche 11 prallenden Kühlluft verbessern. Der im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel vergrößerte Strömungsquerschnitt des zwischen der Kaltfläche 129 und dem Halteriegel 25 gebildeten Strömungskanals ermöglicht ein verbessertes Abführen der Kühlluft in Richtung auf die Außenbereiche der Greiflasche 11, wodurch diese und insbesondere die Heißfläche 127 besser gekühlt werden können. Die Haltefeder 103 und das Durchgangsloch 113 entsprechen der Haltefeder 3 bzw. dem Durchgangsloch 13 des ersten Ausführungsbeispiels.
Figur 6 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Hitzeschild. Dieser umfasst flächig an der Tragstruktur 30 einer Brennkammerwand, beispielsweise der Wand einer Gasturbinenbrennkammer, angeordnete keramische Hitzeschildelemente 15. Die Hitzeschildelemente 15 werden von erfindungsgemäßen Haltelementen 1 an der Tragstruktur 30 gehalten. Zwischen benachbarten Hitzeschildelementen 15 verbleiben Spalte 14, welche eine ungehinderte thermische Ausdehnung der Hitzeschildelemente 15 ermöglichen, wenn diese mit den heißen Verbrennungsabgasen der Gasturbinenanlage beaufschlagt werden.
In Abweichung zum in Figur 6 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hitzeschildes kann die Tragstruktur zusätzliche Kühlluftöffnungen aufweisen, die insbesondere mit den Spalten 14 zwischen benachbarten Hitzeschildelementen 15 fluchten können. Dadurch wird ein direktes Ausblasen von Sperrluft durch die Spalte 14 in die Brennkammer möglich.
Es sei angemerkt, dass die Durchgangsöffnung 13 in den Haltefedern der Halteelemente nicht in Form eines Langlochs ausgeführt zu sein braucht. Es können beispielsweise auch ovale oder runde Löcher vorhanden sein. Ebenso braucht sich die Durchgangsöffnung 13 nicht in den Abschnitt 9 des Halterkopfes hinein zu erstrecken.
Außerdem kann die Durchgangsöffnung auch als sogenanntes Zupferloch zur Demontage des Hitzeschildes dienen, insbesondere wenn sich die Durchgangsöffnung 13 in den Abschnitt 9 des Halterkopfes 7 hinein erstreckt.

Claims

Hitzeschildelement (15) mit einer einem heißen Medium zuzuwendenden Heißseite (17), einer der Heißseite (17) gegenüber liegenden Kaltseite (19) und die Heißseite (17) mit der Kaltseite (19) verbindenden Umfangsseiten (21), wobei in wenigstens einer Umfangsseite (21) eine Nut (23) ausgebildet, ist, welche wenigstens einen Eingriffsabschnitt aufweist, wobei der Materialabschnitt zwischen der Nut (23) und der Kaltseite (19) einen Halteriegel (25) bildet, dadurch gekennzeiehnet, dass der Halteriegel (25) im Bereich des Eingriffsabschnittes eine die Nut (23) zur Kaltseite (19) hin öffnende Aussparung (26)aufweist.
Hitzeschildelement (15) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Nuten (23) mit die jeweilige Nut (23) zur Kaltseite (19) hin öffnenden Aussparungen (26) in wenigstens zwei einander abgewandten Umfangsseiten (21) vorhanden sind.
Hitzeschildelement (15) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch seine Ausgestaltung als keramisches Hitzeschildelement.
Haltelement (1, 101) zum Halten eines Hitzeschildelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 3 (15) an einer Tragstruktur (30) mit
- einem Halterkopf (7, 107), welcher einen Greifabschnitt (11, 111) aufweist und

- einem zum Befestigen des Haltelementes (1, 101) an der Tragstruktur (30) geeignet ausgebildeten Befestigungsabschnitt (3, 103),
dadurch gekennzeichnet, dass im Befestigungsabschnitt (3, 103) wenigstens eine Durchgangsöffnung (13, 113) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass bei an der Tragstruktur (39) befestigtem Befestigungsabschnitt (3, 103) ein direktes Zuführen von Kühlfluid zum Greifabschnitt (11, 111) durch die Durchgangsöffnung (13, 113) hindurch von der Tragstruktur (30) aus möglich ist.
Haltelement (1, 101) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Greifabschnitt (11, 111) eine einem heißen Medium zuzuwendende Heißfläche (27, 127) und eine von der Heißfläche (27, 127) abgewandt angeordnete Kaltfläche (29, 129) aufweist und die Durchgangsöffnung (13, 113) derart angeordnet ist, dass das Kühlfluid zur Kaltfläche (29, 129) zuführbar ist.
Haltelement (1, 101) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnung (13, 113) derart im Befestigungsabschnitt (3, 103) angeordnet ist, dass wenigstens ein Abschnitt der Kaltfläche (29, 129) direkt mit Kühlfluid aus einer Richtung anzublasen ist, die einen spitzen Winkel mit der Oberflächennormalen des angeblasenen Abschnittes einschließt.
Haltelement (1, 101) nach einem der Ansprüche 4 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnung (3, 103) als Langloch ausgebildet ist.
Haltelement (1, 101) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Greifabschnitt (111) einen Längsquerschnitt mit einer Wölbung aufweist, deren Bauch vom Befestigungsabschnitt (103) weg weist.
Haltelement (1, 101) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heißfläche (27, 127) des Greifabschnittes (11, 111) eine wärmedämmende und/oder korrosionshemmende und/oder oxidationshemmende Beschichtung aufweist.
Hitzeschild an einer Tragstruktur (30) mit
- einer Anzahl von Hitzeschildelementen (15), welche unter Belassung von Spalten (14) zwischen benachbarten Hitzeschildelementen (15) flächendeckend an der Tragstruktur (30) befestigt sind,

- einer Anzahl Haltelementen (1, 101), mit denen die Hitzeschildelemente (15) an der Tragstruktur (30) befestigt sind und die einen in die Hitzeschildelemente (15) eingreifenden Greifabschnitt (11,111) aufweisen, und

- einem Kühlsystem (32, 13, 113, 26) zum Kühlen der Haltelemente (1, 101)
dadurch gekennzeichnet, dass die Hitzeschildelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und die Haltelemente nach einem der Ansprüche 4 bis 9 ausgebildet sind, wobei
das Kühlsystem (32, 13, 113, 26) derart ausgelegt ist, dass im Betrieb ein direktes Zuführen von Kühlfluid zu den Greifabschnitten (11, 111) der Haltelemente (1, 101) möglich ist.
Hitzeschild nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (32, 13, 113, 26) derart ausgelegt ist, dass im Betrieb es eine Prallkühlung der Greifabschnitte (11, 111) ermöglicht.
Hitzeschild nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass
- das Kühlsystem eine Anzahl von in der Tragstruktur angeordneten Kühlfluidöffnungen (32) zum Ausblasen eines Kühlfluids umfasst, und

- die Haltelemente (1, 101) derart an der Tragstruktur (30) befestigt sind und die Hitzeschildelemente (15) derart von den Halteelementen (1, 101) gehalten werden, dass die Durchgangsöffnungen (13, 113) der Haltelemente (1, 101) jeweils mit einer Kühlfluidöffnung (32) der Tragstruktur (30) und einer Aussparung (26) eines Hitzeschildelementes (15) fluchten.
Hitzeschild nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem zusätzlich eine Anzahl von Kühlfluidöffnungen (34) umfasst, die derart in der Tragstruktur (30) angeordnet sind, dass aus ihnen austretendes Kühlfluid in Richtung auf Befestigungsabschnitte (3) von Haltelementen (1) austritt.
Hitzeschild nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem zusätzlich eine Anzahl von Kühlfluidöffnungen (34) umfasst, die derart in der Tragstruktur (30) angeordnet sind, dass das aus ihnen austretende Kühlfluid zu einer Prallkühlung der Befestigungsabschnitte (3) führt.