EP1715249A1 - Hitzeschildelement und Brennkammer mit einem Hitzeschild - Google Patents

Hitzeschildelement und Brennkammer mit einem Hitzeschild Download PDF

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EP1715249A1
EP1715249A1 EP05008520A EP05008520A EP1715249A1 EP 1715249 A1 EP1715249 A1 EP 1715249A1 EP 05008520 A EP05008520 A EP 05008520A EP 05008520 A EP05008520 A EP 05008520A EP 1715249 A1 EP1715249 A1 EP 1715249A1
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EP
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heat shield
shield element
grooves
combustion chamber
hot
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EP05008520A
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Olaf Hein
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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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
    • F23R3/007—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel constructed mainly of ceramic components
    • 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
    • F23M2900/00—Special features of, or arrangements for combustion chambers
    • F23M2900/05004—Special materials for walls or lining

Definitions

  • the present invention relates to a heat shield element for lining hot gas-carrying combustion chambers and to a combustion chamber, in particular for a gas turbine plant, with a combustion chamber wall lined with a heat shield
  • the walls of hot gas-carrying combustors, such as gas turbine plants usually require a thermal shielding of their supporting structure against hot gas attack.
  • the thermal shielding can be realized for example by a heat shield upstream of the actual combustion chamber wall.
  • Such heat shields are usually constructed of a number of metallic or ceramic heat shield elements, with which the combustion chamber wall is lined surface. Ceramic materials are ideally suited for the construction of a heat shield in comparison to metallic materials because of their high temperature resistance, corrosion resistance and low thermal conductivity.
  • Blocking air is blown through the gaps in the combustion chamber.
  • the blocking air can simultaneously serve as cooling air for cooling the heat shield.
  • further air inlets may be present in the combustion chamber, with which the blowing of a cooling air film over the surface of the heat shield elements can be realized.
  • the object of the present invention is to provide an advantageous heat shield element for a heat shield.
  • Another object of the present invention is to provide a combustion chamber with an advantageously designed heat shield.
  • the first object is achieved by a heat shield element according to claim 1 and the second object by a combustion chamber according to claim 9.
  • the dependent claims contain advantageous embodiments of the present invention.
  • a heat shield element according to the invention for lining hot gas-carrying combustion chambers has a hot-side surface facing the hot gas and is characterized in that the hot-side surface is provided with recesses and / or protrusions.
  • the sound-absorbing properties of the heat shield element can be improved.
  • the heat shield element according to the invention is therefore particularly suitable for use in heat shields in which thede Kunststoffausblasung should be kept low.
  • the recesses which are material recesses in the hot side surface of the heat shield element, to reduce stresses on impact of the hot gas to the hot side.
  • the heat shield element according to the invention thus shows both an improved acoustic reflection behavior, as well as an improved behavior with respect to thermal stresses.
  • the recesses may be formed as grooves, which may in particular extend net-like over the hot side surface of the heat shield element.
  • the grooves forming the net intersect at right angles.
  • the grooves extend in the direction from the hot side to the cold side of the heat shield element maximally to the middle of the heat shield element, i. the groove depth corresponds to a maximum of half the thickness of the heat shield element.
  • the grooves to a to the inside have the heat shield element towards expanding groove cross-section.
  • the grooves may have a trapezoidal groove cross-section, wherein the narrow side of the trapezoid forms the hot gas facing and open to this side of the grooves.
  • heat shield elements are made of ceramic, they have due to the temperature resistance, corrosion resistance and low thermal conductivity of ceramic particularly favorable thermal properties.
  • a combustion chamber according to the invention comprises a combustion chamber wall lined with a heat shield and is characterized in that the heat shield is constructed from a number of heat shield elements according to the invention.
  • Such a combustion chamber is particularly suitable as a combustion chamber for a gas turbine plant.
  • Fig. 1 shows a heat shield element according to the invention in a schematic representation.
  • Fig. 2 shows a section of the heat shield element shown in Fig. 1 in section.
  • FIG. 1 shows the schematic view of a heat shield element according to the invention in a perspective view.
  • the heat shield element 1 according to the invention has a hot side 3 and a cold side 5.
  • the hot side is the combustion chamber interior - and thus the hot gas - facing when the heat shield element is installed in a combustion chamber.
  • the cold side 5, however, is the supporting structure of Facing combustion chamber wall.
  • recesses in the form of grooves 9 are present, which extend in a net over the hot side surface 7.
  • the grooves 9 extend at a distance from one another parallel to the side surfaces 2 and 4 of the heat shield element 1 which is rectangular in the present embodiment. They therefore form a network of grooves which intersect perpendicularly at their intersection points 10.
  • the grooves 9 extend more than half of the material thickness of the heat shield element 1 ( Figure 2).
  • the heat shield element according to the invention has an increased wall thickness.
  • the groove cross section of the grooves 9 is designed trapezoidal, so that the groove extends from the groove opening 11 in the surface 7, starting in the direction of the interior of the heat shield element 1.
  • the trapezoidal groove cross-section increases in particular the sound absorption of the heat shield element according to the invention.
  • the existing in the hot side 3 of the heat shield element 1 grooves 9 also represent expansion joints.
  • the hot side 3 undergoes a greater thermal expansion than the cooler cold side 5. Die Nuten then serve as expansion joints, which lead to a reduction of the thermally induced stresses in the hot side 3 during expansion.
  • the heat shield element 1 is a ceramic heat shield element designed. However, it is also possible to produce the heat shield element according to the invention from metal.
  • the heat shield element according to the invention can in particular be used to construct a heat shield for a gas turbine combustion chamber.
  • a number of inventive heat shield elements under Spaltbemik so arranged on the combustion chamber wall that it largely covers the combustion chamber wall surface.
  • the gaps between adjacent heat shield elements are dimensioned such that adjacent heat shield elements do not abut each other even with the strongest thermal expansion. As a result, contact-induced stresses within the heat shield elements can be reliably avoided.
  • the gaps between adjacent heat shield elements can advantageously be blocked with a cooling fluid, for example air, against ingress of hot gas from the combustion chamber.

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Abstract

Ein erfindungsgemäßes Hitzeschildelement (1) zum Auskleiden von Heißgas führenden Brennkammern weist eine dem Heißgas zuzuwendende heißseitige Oberfläche auf und zeichnet sich dadurch aus, dass die heißseitige Oberfläche mit Vertiefungen (9) und/oder Vorsprüngen (12) versehen ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hitzeschildelement zum Auskleiden von heißgasführenden Brennkammern sowie eine Brennkammer, insbesondere für eine Gasturbinenanlage, mit einer mit einem Hitzeschild ausgekleideten Brennkammerwand
  • Die Wände von heißgasführenden Brennkammern, beispielsweise von Gasturbinenanlagen erfordern in der Regel eine thermische Abschirmung ihrer tragenden Struktur gegen Heißgasangriff. Die thermische Abschirmung kann beispielsweise durch einen der eigentlichen Brennkammerwand vorgelagerten Hitzeschild realisiert werden. Derartige Hitzeschilde sind in der Regel aus einer Anzahl metallischer oder keramischer Hitzeschildelemente aufgebaut, mit denen die Brennkammerwand flächig ausgekleidet ist. Keramische Materialien bieten sich für den Aufbau eines Hitzeschildes im Vergleich zu metallischen Werkstoffen aufgrund ihrer hohen Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und niedrigen Wärmeleitfähigkeit idealerweise an.
  • Wegen materialtypischer Wärmedehnungseigenschaften und der im Rahmen des Betriebs typischerweise auftretenden Temperaturunterschiede, etwa zwischen der Umgebungstemperatur bei Stillstand der Gasturbinenanlage und der maximalen Temperatur bei Volllast, muss die Wärmebeweglichkeit insbesondere keramischer Hitzeschilde in Folge temperaturabhängiger Dehnung gewährleistet sein, damit keine den Hitzeschild zerstörenden Wärmespannungen durch Behinderung der temperaturabhängigen Dehnung auftreten. Zwischen den einzelnen Hitzeschildelementen sind daher Dehnspalte vorhanden, um die Wärmeausdehnung der Hitzeschildelemente zu ermöglichen. Aus Sicherheitsgründen sind die Dehnspalte so ausgelegt, dass sie sowohl bei minimaler Temperatur als auch bei maximaler Temperatur des Heißgases nie völlig geschlossen sind.
  • Um den Eintritt von Heißgas in die Dehnspalte zu unterdrücken, wird Luft, sog. Sperrluft, durch die Spalte in die Brennkammer geblasen. Die Sperrluft kann gleichzeitig als Kühlluft zum Kühlen des Hitzeschildes dienen. Zudem können weitere Lufteinlässe in der Brennkammer vorhanden sein, mit denen sich das Einblasen eines Kühlluftfilms über die Oberfläche der Hitzeschildelemente realisieren lässt.
  • Durch die Kühlluft - und insbesondere durch das schalldämpfende Verhalten des Kühlluftfilms über den Hitzeschildelementen - wird das akustische Reflektionsverhalten des Hitzeschildelementes positiv beeinflusst.
  • Bei Brennkammerwandungen, die ohne Kühlluftfilm ausgeführt werden, entfällt das schalldämpfenden Verhalten des Kühlluftfilms. Zudem entstehen aufgrund der großen Temperaturunterschiede zwischen der dem Heißgas zugewandten Heißseite des Hitzeschildelementes und dem der eigentlichen Brennkammerwand zugewandten Kaltseite des Hitzeschildelementes thermisch bedingte Spannungen im Material, die zu erhöhtem Materialverschleiß führen können.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein vorteilhaftes Hitzeschildelement für einen Hitzeschild zur Verfügung zu stellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennkammer mit einem vorteilhaft ausgestalteten Hitzeschild zur Verfügung zu stellen.
  • Die erste Aufgabe wird durch ein Hitzeschildelement nach Anspruch 1 und die zweite Aufgabe durch eine Brennkammer nach Anspruch 9 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung.
  • Ein erfindungsgemäßes Hitzeschildelement zum Auskleiden von Heißgas führenden Brennkammern weist eine dem Heißgas zuzuwendende heißseitige Oberfläche auf und zeichnet sich dadurch aus, dass die heißseitige Oberfläche mit Vertiefungen und/oder Vorsprüngen versehen ist.
  • Mittels der Vertiefungen und/oder der Vorsprünge lassen sich die schallabsorbierenden Eigenschaften des Hitzeschildelementes verbessern. Insbesondere ist es möglich, das schallabsorbierenden Verhalten durch geeignete Auswahl der Geometrie der Vertiefungen und/oder der Vorsprünge optimal an die akustischen Verhältnisse in der Brennkammer anzupassen. Das erfindungsgemäße Hitzeschildelement eignet sich daher insbesondere zum Einsatz in Hitzeschilden, in denen die Kühlluftausblasung gering gehalten werden soll. Darüber hinaus ermöglichen insbesondere die Vertiefungen, welche Materialaussparungen in der heißseitigen Oberfläche des Hitzeschildelementes darstellen, Spannungen beim Auftreffen des Heißgases auf die Heißseite zu reduzieren. Das erfindungsgemäße Hitzeschildelement zeigt somit sowohl ein verbessertes akustisches Reflektionsverhalten, als auch ein verbessertes Verhalten in Bezug auf Thermospannungen.
  • Die Vertiefungen können als Nuten ausgebildet sein, die sich insbesondere netzartig über die heißseitige Oberfläche des Hitzeschildelementes erstrecken können. In einer besonderen Ausgestaltung schneiden sich die das Netz bildenden Nuten im rechten Winkel. Die Nuten erstrecken sich in Richtung von der Heißseite zur Kaltseite des Hitzeschildelementes maximal bis zur Mitte des Hitzeschildelementes, d.h. die Nuttiefe entspricht maximal der Hälfte der Dicke des Hitzeschildelementes. Mit den beschriebenen Nuten lassen sich die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Hitzeschildelement genannten Vorteile in hohem Maße realisieren.
  • Besonders vorteilhaft im Bezug auf die schallabsorbierenden Eigenschaften ist es, wenn die Nuten einen sich zum Inneren des Hitzeschildelementes hin erweiternden Nutquerschnitt aufweisen. Beispielsweise können die Nuten einen trapezförmigen Nutquerschnitt aufweisen, wobei die Schmalseite des Trapezes die dem Heißgas zugewandten und zu diesem hin offene Seite der Nuten bildet.
  • Wenn die Hitzeschildelemente aus Keramik hergestellt sind, so weisen sie aufgrund der Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und der niedrigen Wärmeleitfähigkeit von Keramik besonders günstige thermische Eigenschaften auf.
  • Eine erfindungsgemäße Brennkammer umfasst eine mit einem Hitzeschild ausgekleidete Brennkammerwand und zeichnet sich dadurch aus, dass der Hitzeschild aus einer Anzahl von erfindungsgemäßen Hitzeschildelementen aufgebaut ist. Eine derartige Brennkammer eignet sich insbesondere als Brennkammer für eine Gasturbinenanlage.
  • 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 Hitzeschildelement in einer schematischen Darstellung.
  • Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus dem in Fig. 1 dargestellten Hitzeschildelement im Schnitt.
  • Figur 1 zeigt die schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes in einer perspektivischen Darstellung. Das erfindungsgemäße Hitzeschildelement 1 weist eine Heißseite 3 und eine Kaltseite 5 auf. Die Heißseite ist dem Brennkammerinneren - und damit dem Heißgas - zugewandt, wenn das Hitzeschildelement in eine Brennkammer eingebaut ist. Die Kaltseite 5 ist dagegen der tragenden Struktur der Brennkammerwand zugewandt. In der heißseitigen Oberfläche 7 des Hitzeschildelementes 1 sind Vertiefungen in Form von Nuten 9 vorhanden, die sich netzartig über die heißseitige Oberfläche 7 erstrecken. Die Nuten 9 verlaufen mit Abstand zueinander parallel zu den Seitenflächen 2 und 4 des im vorliegenden Ausführungsbeispiel rechteckig ausgeführten Hitzeschildelementes 1. Sie bilden daher ein Netz aus Nuten, welche sich in ihren Kreuzungspunkten 10 senkrecht schneiden.
  • Senkrecht zur Oberfläche 7 erstrecken sich die Nuten 9 maximal über die Hälfte der Materialstärke des Hitzeschildelementes 1 (Figur 2). Um die mechanische Stabilität und die Wärmeschutzeigenschaften des erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes gegenüber einem Hitzeschildelement nach Stand der Technik nicht zu verringern, weist das erfindungsgemäße Hitzeschildelement eine vergrößerte Wandstärke auf.
  • Der Nutquerschnitt der Nuten 9 ist trapezförmig ausgeführt, so dass sich die Nut von der Nutöffnung 11 in der Oberfläche 7 ausgehend in Richtung auf das Innere des Hitzeschildelementes 1 erweitert. Der trapezförmige Nutquerschnitt erhöht insbesondere die Schallabsorption des erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes.
  • Die in der Heißseite 3 des Hitzeschildelementes 1 vorhandenen Nuten 9 stellen darüber hinaus Dehnfugen dar. Wenn die heißgasseitige Oberfläche 7 des Hitzeschildelementes 1 dem Heißgas der Brennkammer ausgesetzt ist, so erfährt die Heißseite 3 eine stärkere thermische Ausdehnung als die kühlere Kaltseite 5. Die Nuten 9 dienen dann als Dehnfugen, die für eine Reduktion der thermisch bedingten Spannungen in der Heißseite 3 beim Ausdehnen führen.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Hitzeschildelement 1 als keramisches Hitzeschildelement ausgestaltet. Es ist jedoch auch möglich, das erfindungsgemäße Hitzeschildelement aus Metall herzustellen.
  • Es sei noch darauf hingewiesen, dass im beschriebenen Ausführungsbeispiel von Vertiefungen in Form von Nuten 9 die Rede ist. Dies rührt daher, dass die Bereiche 12 zwischen den Nuten 9 als die heißseitige Oberfläche 7 des Hitzeschildelementes 1 angesehen werden. Wenn man allerdings die Nutböden 13 als die eigentliche Oberfläche des Hitzeschildes ansieht, so sind die Bereiche 12 als auf der Oberfläche angeordnete Vorsprünge anzusehen. Beide Ansichtsweisen sind grundsätzlich gleichwertig. Allerdings wird man, wenn die Gesamtfläche der Bereiche 12 deutlich größer ist als die Gesamtfläche der Nutböden 13 (wie dies im dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall ist) eher die Flächen 12 als die heißseitige Oberfläche des Hitzeschildelementes 1 ansehen. Wenn dagegen die Gesamtfläche der Nutböden 13 deutlich größer ist als die Gesamtfläche der Bereiche 12 würde man eher die in Fig. 2 als "Nutböden" 13 bezeichneten Bereiche als heißseitige Oberfläche des Hitzeschildelementes ansehen.
  • Das erfindungsgemäße Hitzeschildelement kann insbesondere dazu verwendet werden, einen Hitzeschild für eine Gasturbinenbrennkammer aufzubauen. Dazu werden eine Anzahl erfindungsgemäßer Hitzeschildelemente unter Spaltbelassung so an der Brennkammerwand angeordnet, dass sie die Brennkammerwand flächig weitgehend bedeckt. Die Spalte zwischen benachbarten Hitzeschildelementen sind in ihren Abmessungen derart ausgeführt, dass benachbarte Hitzeschildelemente selbst bei stärkster thermischer Ausdehnung nicht aneinander stoßen. Dadurch lassen sich kontaktbedingte Spannungen innerhalb der Hitzeschildelemente zuverlässig vermeiden. Die Spalte zwischen benachbarten Hitzeschildelementen können vorteilhafterweise mit einem Kühlfluid, beispielsweise Luft, gegen ein Eindringen von Heißgas aus der Brennkammer gesperrt werden.

Claims (9)

  1. Hitzeschildelement (1) zum Auskleiden von Heißgas führenden Brennkammern mit einer dem Heißgas zuzuwendenden heißseitigen Oberfläche dadurch gekennzeichnet, dass die heißseitige Oberfläche mit Vertiefungen (9) und/oder Vorsprüngen (12) versehen ist.
  2. Hitzeschildelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Vertiefungen Nuten (9) vorhanden sind.
  3. Hitzeschildelement (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Nuten (9) in Richtung von der Heißseite zur Kaltseite maximal bis zur Mitte des Hitzeschildelementes erstrecken.
  4. Hitzeschildelement (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Nuten (9) netzartig über die heißseitige Oberfläche (7) erstrecken.
  5. Hitzeschildelement (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die das Netz bildenden Nuten (9) im rechten Winkel schneiden.
  6. Hitzeschildelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (9) einen sich zum inneren des Hitzeschildelementes (1) hin erweiternden Nutquerschnitt aufweisen.
  7. Hitzeschildelement (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (9) einen trapezförmigen Nutquerschnitt aufweisen, wobei die Schmalseite des Trapezes die dem Heißgas zugewandte und zu diesem hin offene Seite (11) der Nuten bildet.
  8. Hitzeschildelement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Ausgestaltung als keramisches Hitzeschildelement.
  9. Brennkammer, insbesondere für eine Gasturbinenanlage, mit einer Brennkammerwand, welche mit einem Hitzeschild ausgekleidet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hitzeschild aus einer Anzahl von Hitzeschildelementen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufgebaut ist.
EP05008520A 2005-04-19 2005-04-19 Hitzeschildelement und Brennkammer mit einem Hitzeschild Withdrawn EP1715249A1 (de)

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