EP1715250A1

EP1715250A1 - Hitzeschildelement zur Auskleidung einer Brennkammerwand, Brennkammer sowie Gasturbine

Info

Publication number: EP1715250A1
Application number: EP05008527A
Authority: EP
Inventors: Fathi Ahmad
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-04-19
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2006-10-25

Abstract

Hitzeschildelement zur Auskleidung einer Brennkammerwand, Brennkammer sowie Gasturbine, mit einer einem heißen Medium aussetzbaren Heißseite, einer der Heißseite gegenüberliegenden Wandseite und einer an die Heißseite und die Wandseite (19) angrenzenden Umfangsseite. In einem thermisch belasteten Bereich sind gezielt Kerben im Material eingebracht sind, so dass die Spannungskräfte, die in diesem Bereich induziert sind, auf einer vergrößerten Fläche wirken.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hitzeschildelement, insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammerwand, mit einer einem heißen Medium aussetzbaren Heißseite, einer der Heißseite gegenüberliegenden Wandseite und einer an die Heißseite und die Wandseite angrenzenden Umfangsseite. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkammer mit einer Brennkammerwand sowie eine Gasturbine.
Keramische oder metallische Elemente werden oft zur Auskleidung von thermisch hochbelasteten Brennräumen, wie z.B. einem Brennofen, einem Heißgaskanal oder einer Brennkammer einer Gasturbine verwendet.
Eine solche Auskleidung bestehend aus keramischen Hitzeschildelementen ist in der EP 0 419 487 B1 beschrieben. Dabei sind die Hitzeschildelemente so gestaltet, dass das Auftreten mechanischer Spannungen unter thermischer Belastung weitgehend vermieden wird. Die Hitzeschildelemente sind mechanisch an einer metallischen Wandung des Brennraums gehaltert und berühren die metallische Wandung direkt. Um eine zu starke Erwärmung der Wandung zu vermeiden, z.B. infolge eines direkten Wärmeübergangs vom Hitzeschildelement oder durch Einbringen von heißem Medium in die durch die voneinander angrenzenden Hitzeschildelementen gebildeten Spalte, wird der von der Wandung des Brennraums und dem Hitzeschildelement gebildete Raum mit Kühlluft, der sogenannten Sperrluft beaufschlagt. Die Sperrluft verhindert das Vordringen von heißem Medium bis zur Wandung und kühlt gleichzeitig die Wandung und das Hitzeschildelement.
Aus der EP 1 064 510 B1 geht ein Wandsegment für einen Brennraum hervor, das mit einem heißen Fluid beaufschlagbar ist.
Das Wandsegment besteht aus einer metallischen Tragstruktur und einem auf der metallischen Tragstruktur befestigten Hitzeschutzelement. Zwischen der metallischen Tragstruktur und dem Hitzeschutzelement ist eine elastische oder plastisch verformbare Trennlage angebracht, die mögliche Relativbewegungen des Hitzeschutzelements und der Tragstruktur aufnehmen und weitgehend ausgleichen soll. Solche Relativbewegungen können beispielsweise in der Brennkammer einer Gasturbine, insbesondere einer Ringbrennkammer, durch unterschiedliches Wärmedehnverhalten der verwendeten Materialien oder durch Pulsationen im Brennraum, wie sie bei einer unregelmäßigen Verbrennung zur Erzeugung des heißen Arbeitsmittels oder durch Resonanzeffekte entstehen können, hervorgerufen werden. Dabei bewirkt die Trennschicht, dass das relativ unelastische Hitzeschutzelement insgesamt flächiger auf der Trennschicht und der metallischen Tragstruktur aufliegt, da das Hitzeschutzelement teilweise in die Trennschicht eindringt. Die Trennschicht kann so fertigungsbedingt Unebenheiten an der Tragstruktur und/oder dem Hitzeschutzelement, die lokal zu einem ungünstigen Krafteintrag führen können, ausgleichen.
Eine andere Art keramische Auskleidung für Brennräume, die sehr hohe mechanische und thermische Belastungen aufnehmen sollen, ist in der EP 0 724 116 A2 angegeben. Die Auskleidung besteht aus Wandelementen aus hochtemperaturbeständiger Strukturkeramik, wie z.B. Siliziumkarbid (SiC) oder Siliziumnitrid (Si₃N₄). Die Wandelemente sind mechanisch mittels eines zentralen Befestigungsbolzens federelastisch an einer metallischen Tragstruktur (Wandung) der Brennkammer befestigt. Zwischen dem Wandelement und der Wandung des Brennraumes ist eine dicke thermische Isolationsschicht vorgesehen, so dass das Wandelement von der Wandung der Brennkammer entsprechend beabstandet ist. Die im Verhältnis zum Wandelement etwa dreimal so dicke Isolationsschicht besteht aus einem keramischen Fasermaterial, das in Blöcken vorgefertigt ist. Die Abmessungen und die äußere Form der Wandelemente sind an die Geometrie des auszukleidenden Raums anpassbar.
Beim Beaufschlagen der Oberfläche eines Hitzeschildelementes mit einem heißen Medium, z.B. einem Heißgas steigt dessen Temperatur in kurzer Zeit rapide an. Die dadurch verursachten relativen Temperaturdehnungen führen zu thermisch induzierten Spannungen, welche zum Entstehen von Rissen in dem Material des Hitzeschildelementes führen können. Je nach Vorhandensein anderer Belastungen wie Schwingungen oder chemische Effekte kann die Schädigungswirkung noch zusätzlich verstärkt werden, so dass die Standzeit des Hitzeschildelementes durch die Rissbildung begrenzt ist. Die Hitzeschildelemente müssen daher, insbesondere in Brennkammern von Gasturbinenanlagen, regelmäßig visuell auf Risse untersucht und befundet werden und werden aus Betriebssicherheitsgründen zyklusgemäß ausgetauscht.
Die Erfindung geht von der Beobachtung aus, dass insbesondere keramische Hitzeschildelemente aufgrund ihrer notwendigen Flexibilität hinsichtlich thermische Ausdehnungen häufig nur unzureichend gegenüber den auftretenden thermomechanischen Belastungen, insbesondere infolge Temperaturwechselbelastungen, gesichert sind.
Die Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde ein Hitzeschildelement mit einer erhöhten Standzeit, insbesondere gegenüber thermomechanischen Belastungen, anzugeben. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Brennkammer mit hohen Standzeiten sowie eine Gasturbine mit einer Brennkammer anzugeben.
Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Hitzeschildelement, insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammerwand, mit einer einem heißen Medium aussetzbaren Heißseite, einer der Heißseite gegenüberliegenden Wandseite und einer an die Heißseite und die Wandseite angrenzenden Umfangsseite, wobei zur Vergrößerung der effektiven Oberfläche in einem thermisch belasteten Bereich eine Anzahl von Kerben im Material eingebracht ist, die derart ausgestaltet sind, dass die thermischinduzierten Spannungskräfte in diesem Bereich reduziert sind.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass wegen der materialtypischen Wärmedehnungseigenschaften und der im Rahmen des Betriebs typischerweise auftretenden Temperaturunterschiede (Umgebungstemperatur beim Stillstand, maximale Temperatur bei Volllast) eine ausreichende Wärmebeweglichkeit von Hitzeschildelementen, insbesondere in Gasturbinenbrennkammern, infolge temperaturabhängiger Dehnung gewährleistet sein muss, damit in keinem Fall Bauteil zerstörenden Wärmespannungen durch Dehnungsbehinderung auftreten. Dies kann bekanntermaßen dadurch erreicht werden, in dem die vor Heißgasangriff zu schützende Wand durch eine Vielzahl von in ihrer Größe begrenzten einzelnen Hitzeschildelementen ausgekleidet wird, beispielsweise eine Brennkammerwand einer Gasturbinenbrennkammer. Dabei werden zwischen den einzelnen keramischen Hitzeschildelementen entsprechende Dehnspalte vorgesehen, die aus Sicherheitsgründen auch im Heißzustand auslegungsgemäß nie völlig geschlossen sein dürfen. Es muss dabei sichergestellt werden, dass in die Dehnspalte kein Heißgas eindringt, weil ansonsten die Wandstruktur übermäßig erwärmt wird. Der einfachste und sicherste Weg, um dies z.B. bei einer Gasturbinenbrennkammer zu vermeiden ist dabei die Spülung der Dehnspalte mit Luft (Sperrluft).
Mit der Erfindung wird ein neuer Weg aufgezeigt, um die Lebensdauerbegrenzende Rissbildung, die sich beim Betrieb des Hitzeschildelementes zeigt, einzuschränken und damit die Standzeiten des Hitzeschildelementes erheblich zu erhöhen. Dies wird dadurch erreicht, dass in den zu thermospannungsinduzierter Materialrissbildung neigenden Bereich des Hitzeschildelementes gezielt Kerben im Material eingebracht sind. Entsteht ein Riss, so führt dieser zu einem totalen Spannungsabbau. Kurze thermische Risse haben keinen merklichen Einfluss auf die verbleibende Tragfähigkeit des Hitzeschildelementes gegenüber mechanischen Krafteinwirkungen. Treten jedoch Risse größer als eine kritische Länge auf, so wird die mechanische Tragfähigkeit des Hitzeschildelementes deutlich verringert und es besteht die akute Gefahr des Versagens.
Um dies alles zu vermeiden ist eine Anzahl von Kerben in die Oberfläche des zu thermospannungsinduzierter Materialrissbildung neigenden Bereichs eingebracht. Dadurch wird die Oberfläche dieses Bereichs vergrößert und die Spannungskräfte wirken auf diese vergrößerte Oberfläche. Oberflächenspannung wird allgemein als Kraft pro Einheit Länge definiert [N/m], d.h. wenn die Fläche auf die die Kräfte wirken vergrößert ist, mit der effektiven Oberfläche wird auch die Länge der Oberfläche vergrößert, dann ist entsprechend die Spannung, die an der Oberfläche erzeugt ist, verringert. Durch diese Maßnahme ist direkt eine Lebensdauerverlängerung des Hitzeschildelementes gegeben, so dass entsprechend längere Standzeiten erzielt sind.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung weist die Heißseite eine Heißseitenoberfläche auf, wobei eine Vielzahl von Kerben sich über die Heißseitenoberfläche erstreckt. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Rissausbildung und das Risswachstum aufgrund der hohen Temperatur des heißen Mediums im Bereich der Heißseitenoberfläche besonders ausgeprägt ist. Daher ist die mechanische Tragfähigkeit des Hitzeschildelementes schädigende Materialschwächung durch Rissbildung und Risswachstum in Bereichen oder Teilbereichen der Heißseitenoberfläche besonders gravierend und lebensdauerbeschränkend. Die Rissbildungseffekte auf der Heißseitenoberfläche tragen daher zu einem erheblichen Maße zu der Schwächung der mechanischen Tragfähigkeit des Hitzeschildelementes im Einsatzfall bei. Die Materialschwächung kann dabei Ausmaße annehmen, dass das Material von der Heißseitenoberfläche in Bereichen starker Rissdichte sich herauslöst bzw. in der Folge der Beaufschlagung mit dem heißen strömenden Medium zunehmend abgetragen wird. Daher ist es besonders vorteilhaft, wenn sich die Kerben möglichst über die gesamte Heißseitenoberfläche erstrecken.
Weiterhin bevorzugt ist, dass die Kerben in ihrem Verlauf eine geschwungene, insbesondere eine gekrümmte Form aufweisen. Das bedeutet, dass die Kerben zumindest abschnittsweise gekrümmt ausgestaltet sind. Der Vorteil der geschwungenen oder gekrümmten Form ist dass durch diese Form sehr lange Kerben gebildet werden können. Ein langer Verlauf der Kerben, kombiniert mit einem dichten Netz von Kerben an der Oberfläche führt zu einer besonders effektiven Vergrößerung dieser Oberfläche. Somit ergeben sich die oben genannten Vorteile, durch die die Bildung langer thermospannungsinduzierter Risse im Material vermieden werden kann.
Das Einbringen einer Anzahl von Kerben mit geschwungener bzw. gekrümmter Form im Material in einem thermisch belasteten Bereich hat auch weitere sehr wichtige Vorteile. Im Falle, dass ein Riss trotzdem entsteht, wird er bei seinem Wachstum eine Kerbe erreichen und weiter dem Verlauf der Kerbe folgen. Da die Kerben vorzugsweise sehr lang ausgelegt sind wird auch der Riss eine sehr lange Strecke zurücklegen müssen bevor er zwei Seiten des Hitzeschildelementes erreicht und das Hitzeschildelement in zwei Bruchstücke zerbrechen konnte. Diese lange Strecke bedeutet dass die Zeitspanne zwischen dem Entstehen des Risses und dem Zerbrechen des Hitzeschildelementes auch größer wird. In dieser größeren Zeitspanne ist auch die Wahrscheinlichkeit höher, dass bei einer regulären Inspektion der Brennkammer der Riss entdeckt und das Hitzeschildelement ausgetauscht wird. Auch wenn das beschädigte Hitzeschildelement nicht rechtzeitig entdeckt wird und in Stücke zerbricht, erhöht sich in der größeren Zeitspanne auch die Wahrscheinlichkeit, dass weitere Risse entstehen und ihre Wege sich kreuzen. Dann zerbricht das Hitzeschildelement in mehrere kleinere Stücke. Die Erfahrung bzw. Tests haben gezeigt, dass wenn ein Hitzeschildelement in nur zwei Stücke zerbricht und sich von der Brennkammerauskleidung löst, es nur wenige Minuten dauert bis die Turbinenschaufeln derart von den harten Bruchstücken beschädigt sind, dass ein Ausfall der ganzen Gasturbinenanlage zu befürchten ist. Auf der anderen Seite wenn das Hitzeschildelement in Form von mehreren kleinen Stücken sich von der Brennkammerwand löst und in den Gasturbinenraum eintritt, werden die Turbinenschaufeln nicht so stark beeinträchtigt. Eine sofortige Zwangsunterbrechung oder Stillstand der Gasturbinenanlage ist dann Vorteilhafterweise nicht gegeben, sondern ein Abschaltprozess kann schrittweise und kontrolliert mit der Gasturbinenanlage durchgeführt werden.
Vorzugsweise ist der Verlauf der Kerben kreisbogenförmig und/oder parabelförmig und/oder serpentinenförmig und/oder spiralförmig. Diese Formen gewährleisten einen besonders langen Verlauf der Kerben und dadurch auch eine deutliche Vergrößerung der effektiven Oberfläche.
Im Falle des spiralförmigen Verlaufs könnte eine einzige Kerbe, die sich über die ganze Oberfläche erstreckt genügen. Die Kerbe fängt dann in einem mittleren Bereich der Heißseitenoberfläche an und erstreckt sie spiralförmig in Richtung der Heißseitenränder.
Bevorzugt sind die Kerben bezogen auf die Hauptströmungsrichtung des heißen Mediums so ausgerichtet, dass der Strömungswiderstand an der Heißseitenoberfläche durch die Ausrichtung der Kerben verringert ist. Im Falle des kreisbogenförmigen oder parabelförmigen Verlaufs der Kerben bedeutet das, dass der Verlauf konkav gegenüber dem anströmenden heißen Medium ausgerichtet ist. Durch diese Ausgestaltung ist der Widerstand verringert, den das Heißmedium an der Heißseitenoberfläche erfährt, denn das heiße Medium tritt in die Kerben im Wendepunkt ein und wird gleich in 2 Ströme aufgeteilt, ohne dass sich das Heißmedium im Wendepunkt staut.
Bei einem serpentinenförmigen Verlauf sind die Kerben vorzugsweise so ausgerichtet, dass das heiße Medium auf seinem Weg auf keine Wendepunkte stößt.
Bei einem spiralförmigen Verlauf spielt die Ausrichtung der Heißseite gegenüber der Hauptströmungsrichtung des heißen Mediums keine große Rolle, denn die Ausbreitung des heißen Mediums auf die Heißseitenoberfläche ist gleich, unabhängig von welcher Richtung die Heißseite angeströmt wird.
Nähere Erläutungen zu diesem Anspruch sind anhand der Ausführungsbeispiele in Figuren 5 bis 8 gegeben.
Weiter bevorzugt ist, dass die Kerben am Grund eine Ausrundung mit einem Rundungsradius zur Einstellung einer vorgegebenen Kerbwirkung aufweisen. Untersuchungen haben gezeigt, dass durch die Einbringung einer Ausrundung am Grund eine hohe Standfestigkeit und geringe Kerbwirkung erreicht wird. Insbesondere können hierdurch lokal hohe thermomechanische Spannungen vermieden werden.
Bevorzugermaßen ist die Anzahl, der Abstand, die Anordnung und die Geometrie der Kerben so festgelegt, dass die mechanische Tragfähigkeit des Hitzeschildelementes nur unwesentlich durch die Kerben selbst beeinträchtigt ist. Durch das Einbringen mehrerer Kerben kann die thermische Spannung ebenso abgebaut werden, wie dies auch in analoger Weise durch die betriebsbedingte Ausbildung eines oder weniger thermospannungsinduzierter Risse erfolgt. Die Querschnittsform der Kerbe kann bevorzugt gezielt so eingestellt sein, dass ein maximaler Spannungsabbau bei minimaler Schwächung der Tragfähigkeit des Hitzeschildelementes erreicht ist. Diese Lösung ist dabei vorteilhafter Weise in vielen Fällen einsetzbar, bei denen durch chemische oder physikalische Effekte Dehnungsgradienten von einer Seite in das Innere eines Bauteils aus einem Material entstehen. Anstelle thermospannungsinduzierte Risse unkontrolliert entstehen und sich fortpflanzen zu lassen, sind Kerben gezielt mit definierter Tiefe und Geometrie und definierten Abständen zueinander eingebracht.
Vorzugsweise weist das Hitzeschildelement eine Höhe auf und die Kerben weisen eine Tiefe auf, so dass die Tiefe der Kerben etwa 2% bis 10%, insbesondere 4% der Höhe des Hitzeschildelementes beträgt. Je tiefer die Kerben sind, desto größer wird die Fläche auf die die Spannungskräfte wirken und das wird die Spannungen an der Hitzeschildelementoberfläche verringern. Die Kerben können wegen der mechanischen Stabilität des Hitzeschildelementes und seiner thermischen Isolationswirkung jedoch nicht beliebig tief ausgebildet werden. Für die Erfüllung ihrer Aufgabe sind Kerben, mit einer Tiefe die bis typischerweise 2% bis 10%, vorzugsweise bis 4% der Hitzeschildelementhöhe beträgt ausreichend. Um eine weitere Vergrößerung der Oberfläche zu erzielen könnten die Kerben näher aneinander eingebracht werden, d.h. mit geringerem Abstand voneinander.
Vorteilhaft dabei ist, dass die Kerben eine Breite aufweisen und der Abstand zwischen zwei Kerben das 2-fache bis 3-fache der Kerbenbreite beträgt. Um die Oberfläche so viel wie möglich zu vergrößern sollten die Kerben sehr dicht aneinander in das Hitzeschildelementmaterial eingebracht werden, z.B. eingeschnitten, eingeätzt oder bei einem gegossenen Hitzeschildelement können die Kerben schon bei der Gussform vorgesehen sein. Zugleich müssen auch die mechanische Stabilität und die thermische Isolationswirkung des Hitzeschildelementes wieder berücksichtigt werden. Dabei hat sich ein Abstand zwischen den Kerben der das 2-fache bis 3-fach der Kerbenbreite aufweist als besonders geeignet erwiesen.
Weiterhin von Vorteil ist, dass der Abstand entlang des Verlaufs zweier benachbarten Kerben nahezu konstant ist. Wenn kleine und vor allem gleichmäßige Abstände zwischen den einzelnen Kerben vorhanden sind, sind auch in diesem Bereich induzierte Spannungen gleichmäßig verteilt und dadurch wird die Wahrscheinlichkeit einer Rissbildung verringert.
Weiterhin von Vorteil ist, dass die Kerben sich in ihrem Verlauf nicht kreuzen. An den Schnittstellen zweier oder mehrerer Kerben wird die gleichmäßige Verteilung der induzierten Spannungen gestört, deswegen müssen solche Schnittstellen vermieden werden.
Bevorzugt besteht das Hitzeschildelement aus einem keramischen Material, insbesondere aus einer Feuerfestkeramik. Feuerfeste Keramikwerkstoffe sind aufgrund ihrer Materialeigenschaften wie hohe mechanische Festigkeit, hohe zulässige Einsatztemperatur, Formstabilität, Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und geringe Wärmeleitfähigkeit besonders geeignet für einen Einsatz als thermischer Isolator bei sehr hohen Temperaturen und Temperaturgradienten, wie z.B. in einer Brennkammer.
Die auf eine Brennkammer gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Brennkammer mit einer inneren Brennkammerauskleidung, die Hitzeschildelemente gemäß den obigen Ausführungen aufweist.
Die auf eine Gasturbine gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Gasturbine mit einer solche Hitzeschildelemente aufweisenden Brennkammer.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen hierbei schematisch und teilweise vereinfacht:

Fig. 1: eine schematische Darstellung einer Gasturbinenanlage,
Fig. 2: in perspektivischer Ansicht ein Hitzeschildelement gemäß der Erfindung,

Fig. 3: einen Schnitt durch das Hitzeschildelement in Fig. 2,
Fig. 4: eine Vergrößerung von zwei Kerben in Fig. 3,
Fig. 5: eine Draufsicht auf die Heißseite eines Hitzeschildelementes mit einem kreisbogenförmigen Verlauf der Kerben,
Fig. 6: eine Draufsicht auf die Heißseite eines Hitzeschildelementes mit einem parabolischen Verlauf der Kerben, und
Fig. 7: eine Draufsicht auf die Heißseite eines Hitzeschildelementes mit einem serpentinenförmigen Verlauf der Kerben.

In Fig. 1 ist schematisch eine Gasturbinenanlage 1 dargestellt. Sie umfasst eine Brennkammer 3 mit einem Brennstoffzufuhrsystem 5 und die entlang einer Achse 7 angeordneten Luftverdichter 9, Gasturbine 11 und elektrischen Generator 13. Umgebungsluft L wird von dem Luftverdichter 9 angesaugt, komprimiert und anschließend zur Brennkammer 3 geführt, wo sie zusammen mit dem Brennstoff B vermischt und verbrannt wird, wobei ein Heißgas M entsteht. Die Brennkammer 3 ist mit einer hitzebeständigen Brennkammerauskleidung ausgestattet, die aus einer Anzahl von flächendeckend nebeneinander angeordneten Hitzeschildelementen 15 gebildet ist. Die Gasturbine 11 wird vom Heißgas M, das die Brennkammer 3 unter hohem Druck verlässt, angetrieben. Das Heißmedium M durchströmt dabei die Gasturbine 11 antreibend und entweicht als Abgas A. Das Abgas A wird in einer in Figur 1 nicht näher dargestellten Filteranlage gefiltert und nach dem Filtrierungsprozess in die Atmosphäre freigelassen. An die Gasturbine 11 ist ein Generator 13 angekoppelt, der zur Erzeugung elektrischer Energie dient. Der Generator 13 ist mit einem elektrischen Netzwerk verbunden und die elektrische Energie, die vom Generator 13 erzeugt wird, wird in dieses Netzwerk eingespeist.
In Fig. 2 ist in perspektivischer Ansicht ein Hitzschildelement 15 gezeigt, der ein Teil der Auskleidung der Brennkammer 3 in Fig. 1 ist. Das Hitzeschildelement 15 in dieser Ausgestaltung ist quaderförmig, insbesondere mit einer nahezu quadratischen Grundfläche. Das Hitzeschildelement 15 weist eine Heißseite 17, eine der Heißseite 17 gegenüberliegende Wandseite 19, die in dieser Abbildung nicht näher dargestellt ist, und eine an die Heißseite 17 und die Wandseite 19 angrenzende Umfangsseite 21 auf. Die Heißseite 17 weist eine Vielzahl von nahezu äquidistanten Kerben 23 auf. Die Kerben 23 in dieser Ausführungsform weisen einen kreisbogenförmigen Verlauf 25a auf.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch des in Fig. 2 dargestellte Hitzeschildelement 15 entlang der Achse SS'. Der obere Rand stellt einen Schnitt durch die Heißseite 17, der untere Rand durch die Wandseite 19 und die zwei Seitenränder durch die Umfangseite 21 dar. Das Hitzeschildelement 15 weist eine Höhe H auf. An der Heißseiteoberfläche 17 ist eine Vielzahl von Kerben 23 eingebracht. Die Tiefe T der Kerben 23 ist gegenüber der Höhe H des Hitzeschildelementes 15 vergleichsweise gering.
Fig. 4 zeigt eine Vergrößerung des Ausschnitts IV in Fig. 3 mit zwei Kerben 23. Der Kerben 23 sind in der Heißseitenoberfläche 17 eingebracht und weisen eine Tiefe T auf, so dass sich lokal die effektive Höhe H des Materials des Hitzeschildelementes 15 verringert. Jedoch, wie es bereits in Fig. 3 gezeigt ist, ist das Maß der Tiefe T der Kerben 23 im Vergleich viel geringer als das Maß der Höhe H des Hitzeschildelementes 15. Die Kerben 23 weisen außerdem am Grund 27 eine Ausrundung mit einem Rundungsradius R auf. Mittels dieser Ausrundung können lokal hohe thermomechanische Spannungen am Grund 27 vermieden werden und dadurch eine geringere Kerbwirkung erreicht werden. Weiterhin weisen die Kerben 23 eine Breite C auf. Der Abstand D zwischen den zwei Kerben 23 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel etwa das 2,5-fache der Breite C.
In Fig. 5, Fig. 6, Fig. 7 und Fig. 8 ist eine Draufsicht auf die Heißseite 17 eines Hitzeschildelementes 15 dargestellt, wobei in den vier Figuren vier verschiedene Ausführungsformen des Verlaufs 25a, 25b, 25c und 25d der Kerben 23 gezeigt sind. An der Heißseitenoberfläche 17 sind Kanten 23 mit geschwungener Form eingebracht. Die Kerben 23 in Fig. 5 weisen einen kreisbogenförmigen Verlauf 25a, in Fig. 6 einen parabolischen Verlauf 25b, in Fig. 7 einen serpentinenförmigen Verlauf 25c und in Fig. 8 einen spiralförmigen Verlauf auf. Die Verläufe 25a und 25b der Kerben 23 in Fig. 5 und Fig. 6 sind konkav gegenüber den anströmenden Heißgasen M ausgerichtet. Diese Ausgestaltung ist aus strömungstechnischer Sicht besonders günstig, denn dadurch wird der Widerstand verringert, den die Heißgase an der Heißseitenoberflache 17 erfahren. In diesem Fall werden die Heißgase M, die in die Kerben 23 im Wendepunkt W eintreten in zwei Ströme aufgeteilt. Im Gegensatz dazu wenn der kreisbogenförmige Verlauf 25a und der parabolische Verlauf 25b konvex zu den Heißgasen ausgerichtet sind, dann werden sich die Heißgase M im Wendepunkt W stauen. Was die serpentinenförmigen Verlauf 25c in Fig. 7 betrifft, sind die Kerben 23 bestenfalls so ausgerichtet, dass wenn die Heißgase M in die Kerben 23 einströmen, diese auf ihrem Weg auf keinen Wendepunkt W stoßen, sondern nur links and rechts umgeleitet werden, so wie das in Fig. 7 gezeigt ist. Im Falle von einem spiralförmigen Verlauf 25d, wie in Fig. 8 gezeigt, wegen dem nahezu symmetrischen Verlauf 25d der Kerben 23 ist es unwesentlich von welcher Richtung die Heißseite 17 des Hitzschildelementes 15 angeströmt wird.

Claims

Hitzeschildelement (15), insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammerwand, mit einer einem heißen Medium (M) aussetzbaren Heißseite (17), einer der Heißseite (17) gegenüberliegenden Wandseite (19) und einer an die Heißseite (17) und die Wandseite (19) angrenzenden Umfangsseite (21),
dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergrößerung der effektiven Oberfläche in einem thermisch belasteten Bereich eine Anzahl von Kerben (23) im Material eingebracht ist, die derart ausgestaltet sind, dass die thermischinduzierten Spannungskräfte in diesem Bereich reduziert sind.
Hitzeschildelement (15) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Heißseite (17) eine Heißseitenoberfläche aufweist, wobei eine Vielzahl von Kerben (23) sich auf der Heißseitenoberfläche (17) erstreckt.
Hitzeschildelement (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kerben (23) in ihrem Verlauf (25) eine geschwungene, insbesondere eine gekrümmte Form aufweisen.
Hitzeschildelement (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf (25) der Kerben (23) kreisbogenförmig (25a) und/oder parabelförmig (25b) und/oder serpentinenförmig (25c) und/oder spiralförmig (25d) ist.
Hitzeschildelement (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf die Hauptströmungsrichtung des heißen Mediums (M) die Kerben (23) so ausgerichtet sind, dass der Strömungswiderstand an der Heißseitenoberfläche durch die Ausrichtung der Kerben (23) verringert ist.
Hitzeschildelement (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kerben (23) am Grund (27) eine Ausrundung mit einem Rundungsradius (R) zur Einstellung einer vorgegebenen Kerbwirkung aufweisen.
Hitzeschildelement (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl, der Abstand (D), die Anordnung und die Geometrie der Kerben (23) so festgelegt sind, dass die thermische Isolationswirkung des Hitzeschildelementes (15) nur unwesentlich beeinträchtigt ist.
Hitzeschildelement (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Hitzeschildelement (15) eine Höhe (H) aufweist und die Kerben (23) eine Tiefe (T) aufweisen, so dass die Tiefe (T) der Kerben (23) etwa 2% bis 10%, insbesondere 4% der Höhe (H) des Hitzeschildelementes (23) beträgt.
Hitzeschildelement (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kerben (23) eine Breite (C) aufweisen und der Abstand (D) zwischen zwei Kerben (23) das 2-fache bis 3-fache der Kerbenbreite (C) beträgt.
Hitzeschildelement (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (D) entlang des Verlaufs (25) zweier benachbarter Kerben (23) nahezu konstant ist.
Hitzeschildelement (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kerben (23) sich in ihrem Verlauf (25) nicht kreuzen.
Hitzeschildelement (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass dieser aus einem keramischen Material, insbesondere aus einer Feuerfestkeramik, besteht.
Brennkammer (3) einer Brennkammerwand mit einer Anzahl von Hitzeschildelementen (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Gasturbine (11) mit einer Brennkammer (3) nach Anspruch 13.