EP2310748B1 - Hitzeschildanordnung - Google Patents

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EP2310748B1
EP2310748B1 EP09761668.4A EP09761668A EP2310748B1 EP 2310748 B1 EP2310748 B1 EP 2310748B1 EP 09761668 A EP09761668 A EP 09761668A EP 2310748 B1 EP2310748 B1 EP 2310748B1
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EP
European Patent Office
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heat shield
seal
groove
support structure
shield arrangement
Prior art date
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EP09761668.4A
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EP2310748A2 (de
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Marcus ZURHORST
Jens Kleinfeld
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/002Wall structures
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00012Details of sealing devices

Definitions

  • the invention relates to a heat shield assembly consisting of a support structure and a heat shield attached thereto with a voltage applied to the support structure, circumferential side wall wherein the side wall at least partially has a groove and one of the support structure facing interior and groove base and side wall defined groove edges.
  • the invention further relates to a combustion chamber having a heat shield assembly, and a gas turbine with such a combustion chamber.
  • the US Pat. No. 6,470,685 B2 discloses a heat shield assembly having a first heat shield and a second heat shield adjacent thereto leaving a gap therebetween.
  • the individual heat shields are attached to a support structure, so that in each case an interior space is limited.
  • On the hot wall side of a heat shield a plurality of projecting into the interior of the rods are mounted, which allow better cooling of the heat shield from the interior.
  • the side walls of the heat shields are extended with an additional element, ie the side walls are located directly on the support structure on. In order to allow air to escape from the interior, cooling holes are introduced in the side walls.
  • the GB 2 298 266 A discloses a heat shield assembly with heat shields overlapping in the end regions. This thus forms a complete coverage of the wall to be protected from hot gas. At least one side wall of each heat shield lies with at least one contact point directly on the support structure. In order to allow air to escape, cooling holes are introduced both in the hot side of the heat shields and in the side walls.
  • the EP 1 507 116 A1 comprises a heat shield assembly comprising a plurality of heat shields juxtaposed to a support structure while leaving a gap, with one or each heat shield attached to a support structure to form an interior space.
  • coolant flows into the interior.
  • the side walls are not directly on the support structure, but are connected via a respective seal with the support structure.
  • the sealing element connects directly to the side wall, ie it represents a direct extension of this side wall. The thus extended side wall rests on the support structure.
  • the sealing element thereby fulfill both a sealing function for the coolant and a mechanical damping function for the heat shield assembly.
  • a coolant outlet channel is provided, which opens into the gap.
  • the known heat shields are based on the principle that the heat shield walls rest directly on the support structure during the assembly of the heat shields.
  • cooling holes are present, leading from the heat shield interior in the combustion chamber.
  • the coolant is completely or partially passed through the cooling holes in this gap.
  • the object of the invention is to provide an improved in terms of cooling efficiency heat shield assembly, which is characterized by an increase in efficiency.
  • the heat shield assembly should be usable in a combustion chamber for gas turbines.
  • a heat shield assembly consisting of a support structure and an attached heat shield with a voltage applied to the support structure, circumferential side wall wherein the side wall at least partially has a groove and an inner space facing the support structure and defined by Nutgrung and sidewall groove edges wherein the groove comprises a seal having at least two opposite edges, wherein the seal is clamped in the groove such that the at least two opposite edges are bent into the groove edges upon mounting of the heat shield on the support structure, such that rolling of the seal on the support structure is ensured, whereby a sealing function is ensured even during operation.
  • the invention is based on the observation that at the high temperatures required for combustion in the heat shields discussed above, thermally induced warping occur, such that the corners of the heat shields are pressed against the support structure.
  • the hot-side center of the heat shields arches up.
  • the individual sides of the heat shields resting on the support structure, which form the side wall, likewise bulge away from the support structure in such a way that the side center of the support structure is now spaced apart by a thermally-induced gap.
  • a seal is mounted in the groove.
  • the gasket is tightened so that the two edges point away from the support side.
  • these edges are pressed into the Nutkanten, that is bent to the side wall of the heat shield.
  • the sealing function is guaranteed, so to speak, by bracing the seal in the groove edges, since the groove edges hold the seal in its desired position. Due to the shape of the gasket clamped in this way, it is unrolled on the entire support structure. By rolling the seal is optimally on the Support structure pressed, that is on the entire length of the side walls to which the support structure adjacent.
  • the thermally-induced gap is optimally closed.
  • the bias counteracts a thermal warping, as would be effected at a temperature gradient occurring with a non-preloaded seal.
  • the heat shield bulges in the operating state. In this condition, essentially only the four heat shield ceilings remain in contact with the supporting structure. This has the effect that, in the critical operating state, the seal is, so to speak, held down in the groove edges, that is, remains in its previously desired position. This ensures the correct seat of the seal in all operating conditions, the function of the seal thus always ensured.
  • the seal can fulfill its function optimally, as it always remains in the desired position.
  • the coolant is essentially usually give as cooling air, which is wholly or partially removed from the compressor, which is arranged downstream of the combustion chamber.
  • the seal is completely embedded in the groove.
  • the seal is particularly spell-proof tightened.
  • the seal is an elastic bending strip. This one can be particularly well stretched and in the Groove be introduced and is easy to manufacture.
  • the strip may also be tubular.
  • the seal is made of metal or metal alloy. This is particularly heat and temperature resistant.
  • the groove is arranged circumferentially over the entire side wall.
  • the groove is arranged in regions over the entire side wall. This can be decided depending on the type of heat shield and production factors.
  • the seal has a bending radius by the bracing.
  • a gas turbine has an upstream compressor for combustion air, an intermediate combustion chamber and a turbine for driving the compressor and a generator or a work machine, not shown.
  • the air or another coolant used for cooling This creates a hot gas which is expanded in the subsequent turbine part, wherein thermal converts into mechanical energy.
  • the combustion chamber comprises a support structure on which heat shield assemblies are attached.
  • FIG. 1 For example, an example of a prior art thermal deformation heat shield assembly 1 is shown.
  • the heat shield assembly 1 has a support structure 2 and a heat shield 3 with a hot side 5.
  • a side wall 4 is inclined relative to the hot side 5.
  • the heat shield assembly 1 forms an interior 10, which is supplied from the side of the support structure 2 through the supply channels 15 with coolant 14 preferably cooling air, which is taken from a compressor.
  • coolant 14 preferably cooling air, which is taken from a compressor.
  • coolant 14 preferably cooling air, which is taken from a compressor.
  • a thermally induced curvature At high thermal loads, such as occur in combustion chambers for gas turbine, occurs on the hot side 5 and on the respective sides 4, a thermally induced curvature.
  • a heat-induced gap 13 occurs between the support structure 2 and the side wall 4 in the heat shield 3. Through this coolant 14 escapes unhindered into the combustion chamber.
  • FIG. 2 shows a heat shield assembly 1 on a support structure 2 with groove 7 and groove edges.
  • the groove 7 can be arranged circumferentially in the side wall 4 or partially.
  • FIG. 3 shows a plan view of a cut-open heat shield with groove 7.
  • the groove 7 is arranged in regions.
  • the groove edges 16 are defined by groove bottom and the side wall 4.
  • FIG. 3a shows a schematic side view of a cut-open heat shield assembly with seal 6 (planar support structure).
  • seal 6 planar support structure
  • the seal has edges 8 (ends).
  • the seal 6 with the edges 8 is introduced into the groove 7.
  • the seal 6 is formed such that the edges 8 of the seal 6 in the groove edges 16 are up. If now the heat shield 3 is mounted over the seal 6, the edges 8 are pressed into the groove edges 16, that is, bent to the side wall 4. Thus, the seal 6 is clamped in the groove 7. Due to the distortion, the seal 6 has a bending radius 20.
  • the heat shield 3 bulges. In this state, essentially only at the heat ceiling 22, it has contact with the support structure 2.
  • the thermally induced gap 13 is optimally closed.
  • the bias causes the seal 6 to become in use, i. Do not warp when exposed to temperature, as would happen, for example, with a non-strained component. Since the heat shield 3 has contact with the support structure 2 on the heat ceiling 22 in each operating state, this ensures a correct seat in each of the operating states. Thus, the seal 6 thus always remains in its predetermined, desired position and therefore can fulfill its sealing function optimally.
  • a seal 6 may for example consist of a thin bent metal strip or a thin bent metal tube.
  • FIG. 4 shows a schematic drawing of the forces acting on the heat shield 1 and the seal 6 in operation.
  • the force F acts on the heat shield ceilings 22 and presses them onto the support structure 2.
  • the seal 6 is unrolled on the support structure 2.
  • the bias causes a fixed, desired position of the seal 6 under all operating conditions.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Hitzeschildanordnung bestehend aus einer Tragstruktur und einem daran befestigten Hitzeschild mit einer auf der Tragstruktur anliegenden, umlaufenden Seitenwand wobei die Seitenwand zumindest bereichsweise eine Nut aufweist sowie einer der Tragstruktur zugewandten Innenraum sowie durch Nutgrund und Seitenwand definierte Nutkanten. Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkammer, die eine Hitzeschildanordnung aufweist, sowie eine Gasturbine mit einer derartigen Brennkammer.
  • Aufgrund der in Heißgaskanälen oder anderen Heißgasräumen herrschenden hohen Temperaturen ist es erforderlich, die Innenwandung eines Heißgaskanals bestmöglichst temperaturresistent zu gestalten. Hierzu bieten sich hochwarmfeste Werkstoffe, z. B. Keramiken an. Der Nachteil keramischer Werkstoffe liegt sowohl in ihrer starken Sprödigkeit sowie in ihrem ungünstigen Temperaturleitverhalten. Als Alternative zu keramischen Werkstoffen für Hitzeschilde bieten sich hochwarmfeste metallische Legierungen auf Eisen,Nickel- oder Kobaltbasis an. Da die Einsatztemperatur von hochwarmfesten Metalllegierungen aber deutlich unter der Heißgastemperatur liegt, ist es erforderlich, metallische Hitzeschilde in Heißgaskanälen zu kühlen.
  • Die US 6 470 685 B2 offenbart eine Hitzeschildanordnung mit einem ersten Hitzeschild und einem dazu benachbarten, unter Belassung eines Spalts angeordneten zweiten Hitzeschild. Die einzelnen Hitzeschilde sind an einer Tragstruktur angebracht, so dass jeweils ein Innenraum begrenzt wird. An der Heißwandseite eines Hitzeschilds sind eine Vielzahl in den Innenraum hineinragende Stäbe angebracht, die eine bessere Kühlung des Hitzeschilds vom Innenraum her ermöglichen. Die Seitenwände der Hitzeschilde sind mit einem zusätzlichen Element verlängert, d.h. die Seitenwände liegen direkt an der Tragstruktur auf. Um ein Ausströmen der Luft aus dem Innenraum zu ermöglichen, sind Kühlöffnungen in den Seitenwänden eingebracht.
  • Die GB 2 298 266 A offenbart eine Hitzeschildanordnung mit sich in den Endbereichen überlappenden Hitzeschilden. Diese bildet somit eine vollständige Überdeckung der zu schützenden Wand vor Heißgas. Mindestens eine Seitenwand jedes Hitzeschilds liegt mit mindestens einem Kontaktpunkt direkt auf der Tragstruktur. Um ein Ausströmen der Luft zu ermöglichen, sind sowohl in der Heißseite der Hitzeschilde als auch in den Seitenwänden Kühlöffnungen eingebracht.
  • Die EP 1 507 116 A1 weist eine Hitzeschildanordnung auf, die mehrere unter Belassung eines Spalts nebeneinander an einer Tragstruktur angeordneten Hitzeschilde umfasst, wobei ein oder jedes Hitzeschild auf einer Tragstruktur angebracht ist, so dass ein Innenraum gebildet wird. Durch einen Einlasskanal strömt Kühlmittel in den Innenraum. Für eine wärmedehnungstolerante und, gegenüber auftretenden mechanischen Belastungen in einer Brennkammer resistente Befestigung der Hitzeschilde, liegen die Seitenwände nicht direkt auf der Tragstruktur auf, sondern sind über ein jeweiliges Dichtung mit der Tragstruktur verbunden. Das Dichtelement schließt direkt an die Seitenwand an, d.h. es stellt eine direkte Verlängerung dieser Seitenwand dar. Die so verlängerte Seitenwand liegt an der Tragstruktur auf. Das Dichtelement erfüllen dabei sowohl eine Dichtfunktion für das Kühlmittel als auch eine mechanische Dämpfungsfunktion für die Hitzeschildanordnung. Zum Austritt des Kühlmittels aus dem Innenraum ist ein Kühlmittelauslasskanal vorgesehen, der in den Spalt einmündet.
  • Zusammenfassend liegt den bekannten Hitzeschilden das Prinzip zugrunde, dass die Hitzeschildwände bei der Montage der Hitzeschilde direkt an der Tragstruktur aufliegen. Für die Kühlung der Hitzeschilde sind Kühlöffnungen vorhanden, die vom Hitzeschildinnenraum in die Brennkammer führen. Um den Spalt benachbarter Hitzeschildanordnungen gegen Heißgas abzudichten, wird das Kühlmittel vollständig oder teilweise durch die Kühlöffnungen in diesen Spalt geleitet.
  • Grundlegend gemeinsam ist den beschriebenen Hitzeschildanordnungen, dass Verdichterluft als Kühlmedium für die Brennkammer und deren Auskleidung benutzt wird. Das Kühlmittel tritt in die Brennkammer ein, ohne an der Verbrennung teilgenommen zu haben. Es ist bekannt, dass sich der Kühlmittelverbrauch hinsichtlich des Wirkungsgrads negativ auswirkt und höhere Emissionswerte durch die erforderliche höhere Einstellung der Flammentemperatur erzeugt. Den Hitzeschildanordnungen liegt damit das Ziel zugrunde, den Kühlmittelverbrauch möglichst gering zu halten.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine hinsichtlich der Kühleffizienz verbesserte Hitzeschildanordnung anzugeben, die sich durch eine Steigerung des Wirkungsgrades auszeichnet. Die Hitzeschildanordnung soll in einer Brennkammer für Gasturbinen einsetzbar sein.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Angabe einer Hitzeschildanordnung , bestehend aus einer Tragstruktur und einem daran befestigten Hitzeschild mit einer auf der Tragstruktur anliegenden, umlaufenden Seitenwand wobei die Seitenwand zumindest bereichsweise eine Nut aufweist sowie einer der Tragstruktur zugewandten Innenraum sowie durch Nutgrung und Seitenwand definierte Nutkanten wobei die Nut eine Dichtung mit mindestens zwei gegenüberliegenden Kanten umfasst, wobei die Dichtung derart in der Nut verspannt wird, dass die mindestens zwei gegenüberliegende Kanten bei Montage des Hitzeschildes auf der Tragstruktur in die Nutkanten gebogen werden, so dass ein Abrollen der Dichtung auf der Tragstruktur gewährleistet ist, wodurch eine Dichtfunktion auch bei Betrieb gewährleistet ist.
  • Die Erfindung geht von der Beobachtung aus, dass bei den für die Verbrennung erforderlichen hohen Temperaturen bei den oben diskutierten Hitzeschilden thermisch-induzierte Verwölbungen auftreten, dergestalt, dass die Ecken der Hitzeschilde an die Tragstruktur gepresst werden. Die Heißseitenmitte der Hitzeschilde wölbt sich auf. Die an der Tragstruktur aufliegenden einzelnen Seiten der Hitzeschilde, welche die Seitenwand bilden, wölben sich ebenfalls von der Tragstruktur weg und zwar dergestalt, dass die Seitenmitte von der Tragstruktur nun durch einen thermisch-induzierten Spalt beabstandet ist. Die im kalten Zustand dicht an der Tragstruktur aufliegenden Seiten der Hitzeschilde weisen nun einen Spalt auf. Dieser kann bei einer typischen Kantenlänge von 200mm typischerweise bis zu 2,0 mm betragen. Durch diesen thermisch-induzierten Spalt entsteht jedoch ein unkontrollierter, vermehrter Kühlmittelaustritt, was dazu führt, dass bei mehreren benachbart zueinander angeordneten Hitzeschilden der Spalt zwischen diesen Hitzeschilden gegen Eintritt von Heißgas in diese Spalte nicht ausreichend thermisch gesperrt wird. Dies führt daher zu einem deutlich vermehrten Kühlmittelverbrauch als für die Kühlaufgabe und die Sperraufgabe des Spalts eigentlich erforderlich wäre. Ein erhöhter Kühlmittelverbrauch führt aber zu einem niedrigeren Wirkungsgrad. Bislang wurde, wollte man diesen Wirkungsgradverlust kompensieren, üblicherweise die Flammentemperatur und damit die Heißgas-Temperatur erhöht wodurch nachteiligerweise erhöhte NOx-Emissionen in Kauf genommen werden.
  • Ausgehend von dieser Erkenntnis werden mit der erfindungsgemäßen Hitzeschildanordnung unerwünschte Kühlmittelverluste und infolgedessen unerwünschte Wirkungsgradverluste vermieden. Dazu wird eine Dichtung in der Nut angebracht. Die Dichtung wird verspannt, so dass die beiden Kanten von der Tragseite wegzeigen. Bei Montage der Hitzeschilde über der Dichtung werden diese Kanten in die Nutkanten gedrückt, das heißt zur Seitenwand des Hitzeschildes gebogen. Die Dichtfunktion wird sozusagen durch das verspannen der Dichtung in den Nutkanten gewährleistet, da die Nutkanten die Dichtung in ihrer gewünschten Position halten. Durch die Form der so verspannten Dichtung wird diese auf der gesamten Tragstruktur abgerollt. Durch das Abrollen wird die Dichtung optimal auf die Tragstruktur gepresst, das heißt auf der gesamten Länge der Seitenwände an welche die Tragstruktur anliegend. Der thermisch-induzierten Spalt wird optimal geschlossen. Die Vorspannung wirkt einer thermischen Verwölbung entgegen, wie dies bei einem auftretenden Temperaturgradient mit einer nicht vorgespannten Dichtung bewirkt wäre. Das Hitzeschild wölbt sich im Betriebszustand. In diesem Zustand bleiben haben im Wesentlichen nur noch die vier Hitzeschildecken Kontakt zur Tragstruktur. Dies bewirkt, dass die Dichtung im kritischen Betriebszustand sozusagen in den Nutkanten niedergehalten wird, sprich in ihrer vorab gewünschten Position verbleibt. Dies gewährleistet also den korrekten Sitz der Dichtung in allen Betriebszuständen, die Funktion der Dichtung bleibt somit jeweils sichergestellt. Somit kann die Dichtung ihre Funktion optimal erfüllen, da sie immer in der gewünschten Position bleibt.
  • Das Kühlmittel ist dabei im Wesentlichen gewöhnlich als Kühlluft geben, die ganz oder teilweise dem Verdichter entnommen wird, welcher der Brennkammer nachgeordnet ist.
  • Durch die Einsparung von Kühlmittel steht der Verbrennung mehr Verdichterluft zur Verfügung was sich hinsichtlich des Durchsatzvolumens positiv auswirkt. Eine Überdosierung des Kühlmittels führt daher zu einem geringeren Wirkungsgrad. Eine überhöhte Kühlmittelmenge führt weiterhin zu ungünstigen Temperaturen in der Brennkammer. Dies wird mit einer erhöhten Flammeneinstellung kompensiert was zu erhöhten NOx-Schadstoffemissionen führt. Durch die Erfindung wird die bisherige Überdosierung von Kühlmittel zum Kühlen der Hitzeschildanordnungen und Sperren des Spalts zwischen benachbarten Hitzeschildanordnungen nunmehr vermieden.
  • Bevorzugt ist die Dichtung vollständig in der Nut eingebettet. Somit wird die Dichtung besonders verruschtsicher verspannt.
  • In bevorzugter Ausgestaltung ist die Dichtung ein elastischer Biegestreifen. Dieser kann besonders gut gespannt und in die Nut eingebracht werden und ist leicht herzustellen. Alternativ kann der Streifen auch schlauchförmig sein.
  • Bevorzugt ist die Dichtung aus Metall oder Metalllegierung. Diese ist besonders hitze- und temperaturbeständig.
  • In bevorzugter Ausgestaltung ist die Nut umlaufend über die gesamte Seitenwand angeordnet. Alternativ ist die Nut bereichsweise über die gesamte Seitenwand angeordnet. Dieses kann je nach Art des Hitzeschildes und nach Herstellungsfaktoren zu entscheiden sein.
  • Bevorzugt weist die Dichtung durch das Verspannen einen Biegeradius auf.
  • Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand einer Zeichnung näher erläutert.
  • Darin zeigt in vereinfachter und nicht maßstäblicher Darstellung:
    • FIG 1 Seitenansicht einer Hitzeschildanordnung,
    • FIG 2 Querschnitt einer Hitzeschildanordnung gemäß mit der Nut ohne Dichtung
    • FIG 3 Draufsicht eines aufgeschnittenen Hitzeschilds mit Nut
    • FIG 3a schematische Seitenansicht einer aufgeschnittenen Hitzeschildanordnung mit Dichtung (planar)
    • FIG 3b schematische Seitenansicht einer aufgeschnittenen Hitzeschildanordnung mit Dichtung konvex
    • FIG 3c schematische Seitenansicht einer aufgeschnittenen Hitzeschildanordnung mit Dichtung konkav
    • FIG 4 schematische Zeichnung der wirkenden Kräfte auf den Hitzeschild und die Dichtung im Betrieb
  • Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Eine Gasturbine weist einen vorgeschalteten Verdichter für Verbrennungsluft, eine zwischengeschalteten Brennkammer sowie eine Turbine zum Antrieb des Verdichters und eines nicht näher dargestellten Generators oder einer Arbeitsmaschine auf. Über Beschaufelung einer oder mehrerer Verdichterstufen wird zumeist Luft komprimiert, diese wird anschließend in der Brennkammer mit einem gasförmigen oder/und flüssigen Treibstoff gemischt, zündet und verbrannt. Außerdem kann die Luft oder ein anderes Kühlmittel zur Kühlung eingesetzt. So entsteht ein Heißgas welches im nachfolgenden Turbinenteil entspannt wird, wobei sich thermische in mechanische Energie umwandelt. Die Brennkammer umfasst dabei eine Tragstruktur auf denen Hitzeschildanordnungen befestigt sind.
  • In FIG 1 ist ein Beispiel einer Hitzeschildanordnung 1 bei thermischer Verformung nach dem Stand der Technik dargestellt. Die Hitzeschildanordnung 1 weist eine Tragstruktur 2 und ein Hitzeschild 3 mit einer Heißseite 5 auf. Eine Seitenwand 4 ist gegenüber der Heißseite 5 geneigt. Die Hitzeschildanordnung 1 bildet einen Innenraum 10 aus, der von seitens der Tragstruktur 2 durch die Zufuhrkanäle 15 mit Kühlmittel 14 vorzugsweise Kühlluft, die einem Verdichter entnommen wird, versorgt wird. Bei hohen thermischen Belastungen, wie sie insbesondere in Brennkammern für Gasturbine entstehen, tritt an der Heißseite 5 und an den jeweiligen Seiten 4 eine thermisch induzierte Wölbung auf. Bei dem Hitzeschild 3 tritt infolgedessen zwischen der Tragstruktur 2 und der Seitenwand 4 ein thermisch-induzierter Spalt 13 auf. Durch diesen entweicht Kühlmittel 14 ungehindert in die Brennkammer.
  • FIG 2 zeigt eine Hitzeschildanordnung 1 auf einer Tragstruktur 2 mit Nut 7 und Nutkanten. Die Nut 7 kann dabei umlaufend in der Seitenwand 4 oder bereichsweise angeordnet sein. FIG 3 zeigt eine Draufsicht eines aufgeschnittenen Hitzeschilds mit Nut 7. Hier ist die Nut 7 bereichsweise angeordnet. Die Nutkanten 16 werden durch Nutgrund und die Seitenwand 4 definiert. Bei einer thermischen Belastung verbleiben die Hitzeschildecken 22 an der Tragstruktur 2, während sich die Mitten der Seitenwände 4 so wölben, dass sie einen Spalt 13 freigeben durch den Kühlmittel 14 entweichen kann.
  • FIG 3a zeigt eine schematische Seitenansicht einer aufgeschnittenen Hitzeschildanordnung mit Dichtung 6 (planare Tragstruktur). Hier ist eine Nut 7 mit den Nutkanten 16 vorhanden. Die Dichtung weist Kanten 8 (Enden) auf. Die Dichtung 6 mit den Kanten 8 wird in der Nut 7 eingebracht. Um die Dichtung 6 jeweils in der Mitte der Seitenwände 4 anzubringen wird, die Dichtung 6 derart geformt, dass die Kanten 8 der Dichtung 6 in den Nutkanten 16 nach oben stehen . Wird nun der Hitzeschild 3 über der Dichtung 6 montiert, werden die Kanten 8 in die Nutkanten 16 gedrückt, das heißt zur Seitenwand 4 gebogen. Somit ist die Dichtung 6 in der Nut 7 verspannt. Durch das Verspannen weist die Dichtung 6 einen Biegeradius 20 auf.
  • Um eine derartige Verspannung zu bewerkstelligen, ist bei planaren (FIG 3a) oder konkaven (FIG 3c) abzudichtenden Flächen der Biegeradius 20 der Dichtung 6 kleiner ist als der Radius der Dichtfläche. Bei konvexen (FIG 3b) abzudichtenden Flächen ist der Biegeradius 20 der Dichtung 6 größer als der Radius der Dichtfläche. Daher wird durch die Form der Dichtung 6 diese auf der Tragstruktur 2 abgerollt. Durch das Abrollen wird die Dichtung 6 in der gesamten Länge der Nut 7 auf die Tragstruktur 2 gepresst.
  • Bei Betrieb wölbt sich der Hitzeschild 3. In diesem Zustand hat es im Wesentlichen nur noch an den Hitzeschildecken 22 Kontakt mit der Tragstruktur 2.
  • Bei einer derart verspannten Dichtung ist der thermisch induzierte Spalt 13 optimal verschlossen. Durch die Vorspannung wird die Dichtung 6 sich bei Betrieb, d.h. bei Beaufschlagung mit Temperatur nicht verwölben, wie dies beispielsweise mit einem nicht verspannten Bauteil geschehen würde. Da der Hitzeschild 3 in jedem Betriebszustand an den Hitzeschildecken 22 Kontakt zur Tragstruktur 2 aufweist, gewährleistet dies einen korrekten Sitz in jedem der Betriebszustände. Somit verbleibt die Dichtung 6 also immer in ihrer vorgegebenen, gewünschten Position und kann daher ihre Dichtfunktion optimal erfüllen.
  • Eine Dichtung 6 kann beispielsweise aus einem dünnen gebogenen Metallstreifen oder einem dünnen gebogenen Metallschlauch bestehen.
  • FIG 4 zeigt eine schematische Zeichnung der wirkenden Kräfte auf den Hitzeschild 1 und die Dichtung 6 im Betrieb. Die Kraft F wirkt auf die Hitzeschildecken 22 und presst diese auf die Tragstruktur 2. Die Dichtung 6 wird auf der Tragstruktur 2 abgerollt. Die Vorspannung bewirkt eine feste, gewünschte Position der Dichtung 6 unter allen Betriebsbedingungen.

Claims (11)

  1. Hitzeschildanordnung (1), bestehend aus einer Tragstruktur (2) und einem daran befestigten Hitzeschild (3) mit einer auf der Tragstruktur (2) anliegenden, umlaufenden Seitenwand (4) wobei die Seitenwand (4) zumindest bereichsweise eine Nut (7) aufweist sowie einer der Tragstruktur (2) zugewandten Innenraum (10) sowie durch Nutgrund und Seitenwand (4) definierte Nutkanten (16)
    dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (7) eine Dichtung (6) mit mindestens zwei gegenüberliegenden Kanten (8) umfasst, wobei die Dichtung (6) derart in der Nut (7) verspannt wird, dass die mindestens zwei gegenüberliegende Kanten (8) bei Montage des Hitzeschildes (3) auf der Tragstruktur (2) in die Nutkanten (16) gebogen werden, so dass ein Abrollen der Dichtung (6) auf der Tragstruktur (2) gewährleistet ist, wodurch eine Dichtfunktion auch bei Betrieb gewährleistet ist.
  2. Hitzeschildanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (6) vollständig in der Nut (7) eingebettet ist.
  3. Hitzeschildanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (6) ein elastischer Biegestreifen ist.
  4. Hitzeschildanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (6) aus Metall oder Metalllegierung ist.
  5. Hitzeschildanordnung (1) nach einer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (7) umlaufend über die gesamte Seitenwand (4) angeordnet ist.
  6. Hitzeschildanordnung (1) nach einer der Ansprüche 1-4 dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (7) bereichsweise über die gesamte Seitenwand (4) angeordnet ist.
  7. Hitzeschildanordnung (1) nach einer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (6) durch das Verspannen einen Biegeradius (20) aufweist.
  8. Hitzeschildanordnung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei planaren oder konkaven abzudichtenden Flächen der Biegeradius (20) der Dichtung (6) kleiner ist als der Radius der Dichtfläche.
  9. Hitzeschildanordnung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass bei konvexen abzudichtenden Flächen der Biegeradius (20) der Dichtung (6) größer ist als der Radius der Dichtfläche.
  10. Brennkammer (4) mit einer Tragstruktur (2), die eine Hitzeschildanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
  11. Gasturbine (1) mit einer Brennkammer (4) nach Anspruch 10.
EP09761668.4A 2008-06-12 2009-06-05 Hitzeschildanordnung Active EP2310748B1 (de)

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PCT/EP2009/056943 WO2009150105A2 (de) 2008-06-12 2009-06-05 Hitzeschildanordnung

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