EP2409083A2 - Hitzeschildelement eines hitzeschildes - Google Patents

Hitzeschildelement eines hitzeschildes

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EP2409083A2
EP2409083A2 EP09784070A EP09784070A EP2409083A2 EP 2409083 A2 EP2409083 A2 EP 2409083A2 EP 09784070 A EP09784070 A EP 09784070A EP 09784070 A EP09784070 A EP 09784070A EP 2409083 A2 EP2409083 A2 EP 2409083A2
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EP
European Patent Office
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heat shield
plate
shield element
support plate
elements
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EP09784070A
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Claus Krusch
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/002—Wall structures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M5/00—Casings; Linings; Walls
    • F23M5/04—Supports for linings
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    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/24—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.]
    • Y10T428/24273—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.] including aperture

Definitions

  • the invention relates to a heat shield element of a heat shield, a heat shield to a support structure, a use of the heat shield for turbine engines and a method of assembling the heat shield element with the features mentioned in the preambles of each independent claims.
  • the heat shields of turbine engines such as gas turbines and turbine engines, such as those used in power-generating power plants and in larger aircraft, have correspondingly large shielded by heat shields surfaces inside their combustion chambers. Because of the thermal expansion and large dimensions, the shield must be composed of a plurality of individual ceramic heat shield elements spaced apart from one another with sufficient clearance. This gap provides the heat shield elements with sufficient space for thermal expansion. However, since the gap is also a direct contact of the hot
  • a cooling fluid in the form of cooling air is injected via cooling channels.
  • This cooling air is also used to selectively blow the metal brackets, with which the ceramic heat shield elements (CHS, Ceramic Heat Shields) are clamped to the support structure, and thus to cool.
  • cooling air is also injected below the ceramic heat shield elements to allow cooling of the underside.
  • brackets In order to carry out the brackets as simply and integrally as possible, a construction is known in which these brackets on the one hand in the support structure encircling parallel recessed grooves are inserted and clamped on the other hand with trained gripping portions with holder grooves, in which are formed in the side surfaces of the ceramic heat shield elements.
  • the heat shield elements are successively inserted with the holders in the grooves of the support structure, wherein the trailing elements obstruct the previously positioned in their positions.
  • a circular series of heat shield elements can be formed in a combustion chamber of a gas turbine.
  • the last remaining heat shield element can no longer be mounted in this way because the mutually present adjacent heat shield elements block a tangentially directed assembly movement. Often, such a last heat shield element is called a dummy stone or an assassin. Consequently, to attach the last
  • Heat shield element solutions with threaded connections applied which allow mounting in the direction of the surface normal of the support structure.
  • a known screw used for this purpose four screws which engage in recesses which are formed in the side surfaces of the heat shield element for this purpose.
  • This solution is often disadvantaged because on the one hand, the four screws require additional cooling and thereby more cooling air consumption and on the other hand, the assembly brings a handling problem with it.
  • the handling of the four screws necessitates the use of fixatives, such as adhesive tape or adhesive tape, which are not reliable, as a result of which the screws can be lost and, because of the high risk of damage, must necessarily be found.
  • EP 1 701 095 A1 and EP 0 558 540 B1 describe by way of example a heat shield as described above with the described advantages and disadvantages.
  • the heat shield elements are often referred to as stones and retaining elements holding them stone holder.
  • the object of the present invention in view of the above-described disadvantages in the prior art, is to make a heat shield member mountable as a last one of a plurality of heat shield members of a heat shield, thereby having few mounting members and the heat-protective function, as well as the cooling fluid circulation - lation preserved.
  • the invention relates to a heat shield element for a plurality of heat shield elements arranged adjacent to a support structure
  • Heat shield wherein the heat shield element has a hot side and a cold side.
  • the heat shield element has a heat shield plate forming the hot side and a carrier plate forming the cold side, wherein the heat shield plate can be mounted on the carrier plate.
  • the heat shield plate forming the hot side is made of a heat-resistant sintered or ceramic material and the support plate forming the cold side is formed of a metallic material or a metal alloy.
  • At least one through-hole in the heat shield plate is provided on the support plate, the position of this through-hole in the surface of the heat shield plate being essentially provided as a symmetrical position.
  • This one hole is sufficient to press through a screw.
  • the transverse dimension of the throughbore is preferably smaller than the diameter of the head of a fastening screw which can be inserted into the carrier plate.
  • a recess with a throughbore is provided on a corresponding hole for piercing the heat shield plate, into which the fastening screw can be pushed through, the head of the fastening screw in one through the recess and the carrier plate facing side of the heat shield plate trained space is locked. As a result, the fastening screw can not be lost.
  • the heat shield plate preferably has a respective receiving groove located in the two mutually opposite and opposite lateral edges, which are provided for engagement of the holding elements by gripping portions.
  • the carrier plate has at least one groove which has a common groove base and a narrowed region forming the open groove side. Further advantages can be achieved with an embodiment according to the invention, when the carrier plate and the heat shield plate are clamped together by means of at least two holder elements, wherein the holding element comprises means for engaging in the holder grooves of the heat shield plate and means for engaging in the grooves of the carrier plate.
  • the means formed in the holding element for engaging in the holder grooves of the heat shield plate are preferably designed as gripping sections.
  • the formed in the holding element means for engaging in the grooves of the support plate are further preferably formed as a widened shoe whose width corresponds to the width of the common groove bottom of the groove of the support plate.
  • the holding element may further comprise a fixing portion serving as a retaining spring, the width of which corresponds to the width of the narrowed portion of the groove of the carrier plate.
  • the thickness of the heat shield plate and the thickness of the carrier plate preferably give a total thickness of the two-part heat shield element according to the invention, which corresponds to the thickness of a one-piece ceramic heat shield element.
  • the objects of the invention are achieved with a heat shield on a support structure comprising a plurality of heat shield elements, with at least one heat shield element according to a previously described embodiment.
  • the heat shield element according to the invention is provided as a last, a series of pre-mounted adjacent heat shield elements final heat shield element.
  • the objects of the invention can also be achieved by using the heat shield with at least one heat shield element according to one of the above-described embodiment for producing a combustion plant or a turbine engine, wherein the turbine engine can be designed in particular as a gas turbine.
  • This method according to the invention is preferably characterized in that - the fixing screw is inserted into the hole provided in the recess, the heat shield plate by means of at least two holding elements, which are inserted with their respective shoe in the grooves of the carrier plate, with the metallic carrier plate by engagement be clamped by means of the gripping portions of the holding elements in the provided in the opposite edges of the heat shield plate holder grooves.
  • the method according to the invention provides further advantages if at least one holding element is fastened non-positively to the carrier plate at the attachment opening, the holding element opposite this at least one attached holding element being left unattached.
  • pocket CHS pocket stone
  • FIG. 1 shows a partial cross-sectional view through a preferred embodiment of the heat shield element according to the invention
  • FIG. 2 shows a side view of the heat shield element according to the invention
  • FIG. 3 shows a perspective view of the heat shield element according to the invention
  • FIG. 4 shows a perspective view of the supporting structure
  • FIG. 5 shows a perspective view of the holding element
  • Figure 6 is an enlarged partial perspective view of the heat shield element according to the invention in the region of a holding element.
  • FIG. 1 shows a partial cross-sectional view through a preferred embodiment of the heat shield element 1 according to the invention.
  • the heat shield element according to the invention is designed in two parts and has a preferably ceramic heat shield plate 10 and a preferably metallic support plate 5.
  • the total thickness of both plates is chosen to be the thickness of a normal all-ceramic one-piece heat shield element is the same to form a uniformly thick heat shield.
  • the support plate preferably has a fixing device which is substantially axially symmetrical in its center and which consists of an extension 3 projecting toward the cold side 4 and a depression 12 which is perforated by a bore. In this mounting hole, a fixing screw 2 can be introduced.
  • Both plates are clamped together by means of preferably resilient metal holders 7 (see FIGS. 5 and 6), wherein the holder 7 engages with its gripping portion 21 in a lateral receiving groove 8 of the heat shield plate 10.
  • the heat shield plate 10 has a through bore 11, which is arranged exactly above the fastening screw 2. Through this through hole 11, an assembly tool (not shown) can be inserted therethrough to engage in the head of the screw 2 and rotate it, when the heat shield element is attached to a support structure.
  • the diameter of the through hole 11 is selected such that the assembly tool, for example a screwdriver or an Allen wrench, just passes freely through. Thereby, the diameter of the through hole 11 can be kept as small as possible, whereby less heat can penetrate into the bore of the hot side 9 and cause a heat problem there.
  • FIG. 2 shows a side view of the heat shield element 1 according to the invention, which is rotated 90 degrees relative to the view in Figure 1.
  • the retaining element 7 is embedded in the support plate 5.
  • the groove 6 of the carrier plate 5 provided for receiving the retaining element 7 is formed in a pre-stretch 13 projecting towards the cold side.
  • This Vorsteckung 13 forms a guide rail 13, preferably one on each side of the support plate 5, which is inserted into the respective groove 15 of the support structure 16 and the support plate 5 with the heat shield plate 10 mounted on her precise positioning and alignment allows light.
  • the grooves 15 in the support structure 16 need not be introduced specifically for the heat shield element 1 according to the invention in the support structure, but are usually already provided for the assembly of the normal one-piece ceramic heat shield elements using the identical holding elements 7.
  • FIG. 3 shows an overall perspective view of the heat shield element 1 according to the invention, which has a ceramic heat shield plate 10 and a metal carrier plate 5.
  • the ceramic heat shield plate 10 and the metallic support plate 5 are preferably held together by four retaining elements 7.
  • the number of holders 7 can be reduced to at least two, one from each side.
  • the holders 7 engage in the holder grooves 8 provided in the two oppositely facing edges of the heat shield plate 10.
  • FIGS. 5 and 6 A detailed illustration of this attachment is given in more detail in FIGS. 5 and 6.
  • the adjacent but are in contrast to a between the Heat shield plate 10 and the support structure 16 positioned metallic support plate 5 mounted.
  • the through-hole 11 serves as described above for pushing through a narrow assembly tool in order to screw the fastening screw 2 into the support structure 16, where either a thread is present or a counter-nut is positioned.
  • FIG. 4 shows a perspective view of the support structure 16, for example of a turbine engine.
  • the support structure 16 has parallel grooves 15, in which the one-piece ceramic heat shield elements are clamped one behind the other by means of the resilient metallic holder 7.
  • the last piece of the heat shield is formed with the two-part heat shield element 1 according to the invention.
  • a bore 22 is provided in the support structure 16 exactly at the location of the last heat shield element into which the protruding extension 3 of the metallic support plate 5 of the heat shield element is fitted.
  • the two parallel arranged and correspondingly sized Vorstreckungen 13 are arranged in the parallel arranged, possibly widened grooves 15 of the support structure 16, so that the two-part heat shield element 1 according to the invention assumes a precisely predetermined position on the support structure 16.
  • the support structure 16 may further include, in preferred embodiments, cooling apertures 23 connected to cooling air passages.
  • the surface of the support structure 16 may be flat or curved. Furthermore, the curvature can be formed both convex and concave.
  • the preferred determination of the two-part heat shield element 1 according to the invention is provided as a final element of the heat shield in a consequent mounting direction which follows substantially the normal to the surface of the support structure. However, it may be provided in terms of easier access and reduced effort to replace a defective heat shield element to provide multiple termination points in a heat shield row. Then not all heat shield elements in a row need to be removed to replace only a few elements.
  • the two-part heat shield element 1 enables simple assembly by a person and only from one side of the installation if a thread device or a thread for the fastening screw 2 is provided in the support structure 16.
  • FIG. 5 shows a holding element 7 in a perspective view.
  • the retaining element 7 is preferably made of metal and comprises a fastening section 18, also called a retaining spring, with which the retaining element 7 can be fastened to a support structure 16 of a combustion chamber wall, for example the combustion chamber wall of a gas turbine plant.
  • the holding elements 7 are guided on the carrier plate 5 in each case in a groove 6 (see Fig. 6).
  • the so-called shoe of the holding element 7 closely tolerated in a parallel to the surface of the support plate 5 embedded (for example, about 10 mm deep) groove 6 a.
  • Such attachment of the one-piece ceramic-made normal heat shield elements to a support structure 16 is known.
  • this known fastening method is now applied to a support plate 5 serving as an intermediate element.
  • the groove 6 is designed so that it has the required width for inserting the shoes width only in the groove base. When pulling up the holding element 7 in the groove 6, this is supported on the narrow region of the groove 7, whereby a holding force holding the holding element 7 is mediated.
  • the non-widened part of the attachment portion 18 can thereby be lifted freely in the groove 6.
  • the fastening opening 17 in the shoe is used to fix all or some holding elements 7 in the groove, which can be done from the cold side of the carrier plate 5 by means of pins, locking grommets or screw connection.
  • a heat shield element is held on two opposite sides of two holding elements 7, that is, a total of four holding elements 7.
  • the attachment portions 3 of the holding elements 7 arranged on the other side are not secured in a preferred embodiment, so that they can slide in order not to hinder the thermal expansion of the heat shield element.
  • a holder head 20 is formed at that end of the retaining spring 18, which is opposite to the end with the attachment opening 17, a holder head 20 is formed.
  • This holder head 20 has a section 19, which is angled substantially at right angles to the retaining spring 18, and a gripping section 21, which in turn is angled substantially perpendicular to the section 19.
  • the gripping portion 21, also called the gripping tab, is used to engage in the groove of a heat shield element.
  • a heat shield element can be clamped by engagement of gripping tabs 21 of holding elements 7, which are fixed to a support plate 5, in the holder grooves 8 opposite sides of the heat shield plate 10 with the support plate (see Fig. 6).
  • FIG. 6 shows an enlarged perspective partial view of the heat shield element 1 according to the invention in the region of a holding element 7.
  • the above-described ceramic heat shield plate 10 with the hot side 9 is in this case arranged on the arranged below it metallic support plate 5 and clamped with the retaining element 7 described in Figure 5.
  • the groove 6 of the support plate 5 in this case has a wider groove bottom and a narrow portion 14 through which the retaining spring 18 of the retaining element 7 can escape while the shoe is retained with the mounting hole 17.

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Abstract

Ein Hitzeschildelement (1) für einen eine Vielzahl benachbart an einer Tragstruktur (16) angeordneter Hitzeschildelemente aufweisenden Hitzeschild, wobei das Hitzeschildelement (1) eine Heißseite (9) und eine Kaltseite (4) aufweist, ist dafür vorgesehen, als ein abschließendes letztes Hitzeschildelement auf die Tragstruktur (16) montiert zu werden. Es ist vorgesehen, dass das Hitzeschildelement (1) eine die Heißseite bildende Hitzeschildplatte (10) und eine die Kaltseite bildende Trägerplatte (5) aufweist, wobei die Hitzeschildplatte (10) auf die Trägerplatte (5) montierbar ist. Zur Montage der Hitzeschildplatte (10) auf der Trägerplatte (5) ist wenigstens eine Durchbohrung (11) in der Hitzeschildplatte (10) vorgesehen. In der Trägerplatte (5) an einer zur Durchbohrung (11) der Hitzeschildplatte (10) korrespondierenden Position ist ferner eine Vertiefung (12) mit einer Durchbohrung vorgesehen, in welche die Befestigungsschraube (2) durchsteckbar ist, wobei der Kopf der Befestigungsschraube (2) in einem durch die Vertiefung (12) und die zur Trägerplatte (5) zugewandte Seite der Hitzeschildplatte (10) ausgebildeten Raum eingesperrt ist.

Description

Beschreibung
Hitzeschildelement eines Hitzeschildes
Die Erfindung betrifft ein Hitzeschildelement eines Hitzeschildes, ein Hitzeschild an einer Tragstruktur, eine Verwendung des Hitzeschildes für Turbinenmaschinen und ein Verfahren zum Zusammenbauen des Hitzeschildelementes mit den in den Oberbegriffen jeweiliger unabhängiger Ansprüche genannten Merkmalen.
In vielen technischen Anwendungen werden leistungsfähige keramische Hitzeschilde verwendet, um Temperaturen zwischen 1000 und 1600 Grad Celsius zu widerstehen. Insbesondere die Hitzeschilde von Turbinenmaschinen wie Gasturbinen und Turbinentriebwerken, wie sie in stromerzeugenden Kraftwerken und in größeren Flugzeugen Verwendung finden, weisen entsprechend große durch Hitzeschilde abzuschirmende Flächen im Inneren ihrer Brennkammern auf. Wegen der thermischen Ausdehnung und wegen großer Abmessungen muss der Schild aus einer Vielzahl einzelner aus Keramik hergestellter Hitzeschildelemente zusammengesetzt werden, die voneinander mit einem ausreichenden Spalt beabstandet sind. Dieser Spalt bietet den Hitzeschildelementen ausreichenden Raum für die thermische Ausdehnung. Da jedoch der Spalt auch einen direkten Kontakt der heißen
Verbrennungsgase mit der den Hitzeschild tragenden Tragstruktur ermöglicht, wird als eine effektive Gegenmaßnahme durch die Spalte in Richtung der Brennkammer ein Kühlfluid in Form von Kühlluft über Kühlkanäle eingeblasen. Diese Kühlluft wird ferner dazu verwendet, gezielt die metallischen Halterungen, mit welchen die keramischen Hitzeschildelemente (CHS, Ceramic Heat Shields) an der Tragstruktur verklammert sind, anzublasen und somit zu kühlen. In noch weiter verbesserten Anordnungen wird auch Kühlluft unterhalb der keramischen Hitze- schildelemente eingeblasen um eine Kühlung der Unterseite zu ermöglichen . Um die Halterungen möglichst einfach und einteilig auszuführen, ist eine Bauweise bekannt, bei der diese Halterungen einerseits in der Tragstruktur kreisumlaufend parallel ausgebildete Nuten eingreifend einschiebbar sind und andererseits mit ausgebildeten Greifabschnitten mit Halternuten verklammert werden, in die in den Seitenflächen der keramischen Hitzeschildelemente ausgebildet sind. Die Hitzeschildelemente werden nacheinander mit den Haltern in die Nuten der Tragstruktur eingeschoben, wobei die nachkommenden Elemente die vorher positionierten in ihren Positionen versperren. Auf diese Weise kann beispielsweise eine kreisumlaufende Reihe von Hitzeschildelementen in einer Brennkammer einer Gasturbine gebildet werden.
Das letzte verbleibende Hitzeschildelement kann jedoch nicht mehr auf diese Weise montiert werden, weil die beiderseits vorhandenen benachbarten Hitzeschildelemente eine tangential gerichtete Montagebewegung blockieren. Oft wird ein derartiges letztes Hitzeschildelement als Attrappenstein oder Att- rappe bezeichnet. Folglich werden zum Anbringen des letzten
Hitzeschildelementes Lösungen mit Verschraubungen angewendet, die eine Montage in Richtung der Flächennormalen der Tragstruktur ermöglichen. Eine bekannte Verschraubung benutzt hierzu vier Schrauben, die in Aussparungen eingreifen, welche in den Seitenflächen des Hitzeschildelementes hierfür ausgebildet sind. Diese Lösung ist vielfach dadurch benachteiligt, weil einerseits die vier Schrauben zusätzliche Kühlung und dadurch mehr Kühlluftverbrauch benötigen und andererseits die Montage ein Handhabungsproblem mit sich bringt. Die Handha- bung der vier Schrauben erzwingt beispielsweise Verwendung von Fixiermitteln wie Verklebung oder Klebeband, die nicht zuverlässig sind, wodurch die Schrauben verloren gehen können und wegen hoher Beschädigungsgefahr unbedingt gefunden werden müssen. Ferner ist keine Über-Kopf-Montage möglich, so dass ein erheblicher Zeitaufwand zur Positionierung einer großen Turbinenanordnung in die entsprechende montagefreundliche 6 Uhr Position der Montagestelle anfällt. Außerdem kann es notwendig sein, zwei Personen für die Montage des letzten Hitze- Schildelementes einzusetzen, da die vier Schrauben in die entsprechenden vier Bohrungen in der Tragstruktur eingeführt werden müssen. Zuallerletzt ist noch zu berücksichtigen, dass die Schrauben wegen der verwendeten hochhitzebeständigen Le- gierung relativ teuer sind und wegen hohen Sicherheitsanforderungen bei jeder Demontage durch Neue ersetzt werden müssen .
EP 1 701 095 Al und EP 0 558 540 Bl beschreiben beispielhaft einen wie oben beschrieben ausgeführten Hitzeschild mit den geschilderten Vorteilen und Nachteilen. Die Hitzeschildelemente werden oft auch als Steine und die sie haltenden Halteelemente Steinhalter genannt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist angesichts der oben beschriebener Nachteile im Stand der Technik, ein Hitzeschildelement derart zu gestalten, dass es als ein letztes von einer Vielzahl von Hitzeschildelementen eines Hitzeschildes montierbar ist, hierbei wenige Montageelemente aufweist und die Hitze schützende Funktion, sowie die Kühlfluidzirku- lation erhalten bleiben.
Nach einem ersten Aspekt geht die Erfindung von einem Hitzeschildelement für einen eine Vielzahl benachbart an einer Tragstruktur angeordneter Hitzeschildelemente aufweisenden
Hitzeschild aus, wobei das Hitzeschildelement eine Heißseite und eine Kaltseite aufweist.
Die erfindungsgemäßen Aufgaben werden nach diesem Aspekt da- durch gelöst, dass das Hitzeschildelement eine die Heißseite bildende Hitzeschildplatte und eine die Kaltseite bildende Trägerplatte aufweist, wobei die Hitzeschildplatte auf die Trägerplatte montierbar ist. Hierdurch ist es möglich, die Befestigung des letzen Hitzeschildelementes an der Tragstruk- tur in eine Befestigung der Trägerplatte an der Tragstruktur und eine Befestigung der Trägerplatte an der Hitzeschildplatte aufzuteilen und entsprechend vorteilhaft zu gestalten. Vorzugsweise ist die die Heißseite bildende Hitzeschildplatte aus einem hitzebeständigen Sinter- oder Keramikwerkstoff und die die Kaltseite bildende Trägerplatte aus einem metallischen Werkstoff oder einer Metalllegierung ausgebildet.
Zur Montage der Hitzeschildplatte ist auf der Trägerplatte wenigstens eine Durchbohrung in der Hitzeschildplatte vorge- sehen, wobei die Position dieser Durchbohrung in der Fläche der Hitzeschildplatte im Wesentlichen als eine symmetrische Position vorgesehen ist. Diese eine Durchbohrung reicht aus, um durch sie eine Verschraubung zu betätigen. Hierbei ist die Querabmessung der Durchbohrung vorzugsweise kleiner als der Durchmesser des Kopfes einer Befestigungsschraube, die in die Trägerplatte einsteckbar ist.
In der Trägerplatte ist gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung an einer zur Durch- bohrung der Hitzeschildplatte korrespondierenden Position eine Vertiefung mit einer Durchbohrung vorgesehen, in welche die Befestigungsschraube durchsteckbar ist, wobei der Kopf der Befestigungsschraube in einem durch die Vertiefung und die zur Trägerplatte zugewandte Seite der Hitzeschildplatte ausgebildeten Raum eingesperrt ist. Dadurch kann die Befestigungsschraube nicht verloren gehen.
Die Hitzeschildplatte weist vorzugsweise jeweils eine in den zwei einander gegenüber und einander abgewandt liegenden seitlichen Kanten liegende Halternut auf, die zum Eingreifen der Halteelemente durch Greifabschnitte vorgesehen sind.
Um das Halteelement aufzunehmen und festzuhalten, weist die Trägerplatte wenigstens eine Nut auf, die einen verbreiteten Nutgrund und einen die offene Nutseite bildenden verengten Bereich aufweist. Weitere Vorteile lassen sich mit einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung erreichen, wenn die Trägerplatte und die Hitzeschildplatte miteinander mithilfe von wenigstens zwei Halterelementen verklammert sind, wobei das Halteelement Mittel zum Eingreifen in die Halternuten der Hitzeschildplatte und Mittel zum Eingreifen in die Nuten der Trägerplatte aufweist.
Die im Halteelement ausgebildeten Mittel zum Eingreifen in die Halternuten der Hitzeschildplatte sind vorzugsweise als Greifabschnitte ausgebildet.
Die im Halteelement ausgebildeten Mittel zum Eingreifen in die Nuten der Trägerplatte sind ferner bevorzugt als ein verbreiterter Schuh ausgebildet, dessen Breite zu der Breite des verbreiteten Nutgrundes der Nut der Trägerplatte korrespondiert .
Das Halteelement kann ferner einen als Haltefeder dienenden Befestigungsabschnitt aufweisen, dessen Breite zu der Breite des verengten Bereiches der Nut der Trägerplatte korrespondiert .
Die Dicke der Hitzeschildplatte und die Dicke der Trägerplatte ergeben vorzugsweise eine Gesamtdicke des erfindungsgemä- ßen zweiteiligen Hitzeschildelementes, die der Dicke eines einteiligen keramischen Hitzeschildelementes entspricht.
Nach einem zweiten Aspekt werden die erfindungsgemäßen Aufgaben mit einem Hitzeschild an einer Tragstruktur, aufweisend eine Vielzahl von Hitzeschildelementen, mit wenigstens einem Hitzeschildelement nach einer vorhergehend beschriebenen Ausgestaltung gelöst.
Hierzu ist das erfindungsgemäße Hitzeschildelement als ein letztes, eine Reihe von vormontierten benachbarten Hitzeschildelementen abschließendes Hitzeschildelement vorgesehen. Erfindungsgemäß können die Aufgaben der Erfindung auch durch eine Verwendung des Hitzeschildes mit wenigstens einem Hitzeschildelement nach einer der vorhergehend beschriebenen Ausgestaltung zur Herstellung einer Verbrennungsanlage oder ei- ner Turbinenmaschine gelöst werden, wobei die Turbinenmaschine insbesondere als eine Gasturbine ausgeführt sein kann.
Nach einem verfahrenstechnischen Aspekt wird zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgaben ein Verfahren zum Zusammenbauen eines Hitzeschildelementes nach einer der vorhergehend beschriebenen bevorzugten Ausgestaltungen verwendet.
Dieses erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich vorzugsweise dadurch aus, dass - die Befestigungsschraube in die in der Vertiefung vorgesehene Bohrung eingeführt wird, die Hitzeschildplatte mithilfe von wenigstens zwei Halteelementen, die mit ihrem jeweiligen Schuh in die Nuten der Trägerplatte eingeführt werden, mit der metallichen Trägerplatte durch Eingriff mittels der Greifabschnitte der Halteelemente in die in den einander abgewandt liegenden Kanten der Hitzeschildplatte vorgesehene Halternuten verklammert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren bringt weitere Vorteile, wenn wenigstens ein Halteelement mit der Trägerplatte an der Befestigungsöffnung kraftschlüssig befestigt wird, wobei das diesem wenigstens einen befestigten Halteelement gegenüberliegende Halteelement unbefestigt gelassen wird.
Erfindungsgemäß ist auch eine Ausführung als ein sogenanntes Pocket-CHS (Taschenstein) möglich.
Im Ergebnis ist es erfindungsgemäß möglich, ein Hitzeschild- element herzustellen, welches auf eine unkomplizierte Art und Weise als letztes Element eines Hitzeschildes, als eine sogenannte Attrappe montierbar ist und hierbei sowohl der Hitze- schütz als auch die Kühlung der metallischen Halteelemente und Trägerplatte durch Kühlluft gewährleistet ist.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Außerdem ergeben sich weitere erfindungsgemäße Merkmale, Eigenschaften und Vorteile aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele unter Bezug auf die beigefügten Figuren .
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Teilquerschnittsansicht durch eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes,
Figur 2 eine Seitenansicht auf das erfindungsgemäße Hitze- schildelement ,
Figur 3 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes,
Figur 4 eine perspektivische Ansicht der Tragstruktur,
Figur 5 eine perspektivische Ansicht des Halteelementes,
Figur 6 eine vergrößerte perspektivische Teilansicht des erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes im Bereich eines Halteelementes .
Figur 1 zeigt eine Teilquerschnittsansicht durch eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes 1.
Das Hitzeschildelement ist erfindungsgemäß zweiteilig ausgeführt und weist eine vorzugsweise keramische Hitzeschildplatte 10 und eine vorzugsweise metallische Trägerplatte 5 auf. Die Gesamtdicke beider Platten ist derart gewählt, dass sie der Dicke eines normalen vollkeramischen einteiligen Hitzeschildelementes gleich ist, um einen gleichmäßig dicken Hitzeschild auszubilden.
Die Trägerplatte weist vorzugsweise eine in ihrer Mitte im Wesentlichen axialsymmetrisch ausgebildete Befestigungsvorrichtung auf, die aus einer zur Kaltseite 4 vorragenden Erstreckung 3 und einer Vertiefung 12, die von einer Bohrung durchlocht sind, besteht. In diese Befestigungsbohrung kann eine Befestigungsschraube 2 eingeführt werden.
Beide Platten sind miteinander mithilfe von vorzugsweise federnden metallischen Haltern 7 verklammert (siehe Figuren 5 und 6), wobei der Halter 7 mit seinem Greifabschnitt 21 in eine seitliche Halternut 8 der Hitzeschildplatte 10 eingreift .
Die Hitzeschildplatte 10 weist eine Durchbohrung 11 auf, die genau über der Befestigungsschraube 2 angeordnet ist. Durch diese Durchbohrung 11 kann ein Montagewerkzeug (nicht dargestellt) hindurch eingeführt werden, um in den Kopf der Schraube 2 einzugreifen und diese drehen zu können, wenn das Hitzeschildelement an einer Tragstruktur befestigt wird. Der Durchmesser der Durchbohrung 11 ist derart gewählt, dass das Montagewerkzeug, beispielsweise ein Schraubendreher oder ein Inbusschlüssel, gerade frei hindurchpasst . Dadurch kann der Durchmesser der Durchbohrung 11 möglichst klein gehalten werden, wodurch weniger Hitze in die Bohrung von der Heißseite 9 eindringen und dort ein Wärmeproblem verursachen kann.
Da der Kopf der Befestigungsschraube 2 jedoch viel größer als die Durchbohrung 11 ist, muss die Befestigungsschraube 2 in die Befestigungsbohrung der Vertiefung 12 eingeführt werden, bevor die Trägerplatte 5 und die Hitzeschildplatte 10 mitein- ander mithilfe der Halter 7 verklammert werden. Nachdem dies ausgeführt ist, befindet sich die Befestigungsschraube 2 in einem Sperrraum zwischen den beiden Platten und kann somit nicht mehr verloren gehen. Figur 2 zeigt eine Seitenansicht auf das erfindungsgemäße Hitzeschildelement 1, die gegenüber der Ansicht in Figur 1 um 90 Grad gedreht ist.
In dieser Ansicht ist erkennbar, wie das Halteelement 7 in die Trägerplatte 5 eingelassen ist. Die zur Aufnahme des Halteelementes 7 vorgesehene Nut 6 der Trägerplatte 5 ist in einer zur Kaltseite hin vorragenden Vorstreckung 13 ausgebil- det. Diese Vorsteckung 13 bildet eine Führungsschiene 13, vorzugsweise eine auf jeder Seite der Trägerplatte 5, die in die jeweilige Nut 15 der Tragstruktur 16 eingelegt wird und der Trägerplatte 5 mit der auf ihr montierten Hitzeschildplatte 10 eine genaue Positionierung und Ausrichtung ermög- licht. Die Nuten 15 in der Tragstruktur 16 müssen nicht speziell für das erfindungsgemäße Hitzeschildelement 1 in die Tragstruktur eingebracht werden, sondern sind in der Regel bereits für die Montage der normalen einteiligen keramischen Hitzeschildelemente mit Hilfe der baugleichen Halteelemente 7 vorgesehen.
Figur 3 zeigt eine perspektivische Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes 1, das eine keramische Hitzeschildplatte 10 und eine metallische Trägerplatte 5 auf- weist.
Die keramische Hitzeschildplatte 10 und die metallische Trägerplatte 5 werden vorzugsweise von vier Halteelementen 7 zusammengehalten. In einer anderen Ausgestaltung kann die An- zahl der Halter 7 auf wenigstens zwei, einen von jeder Seite, reduziert werden. Hierzu greifen die Halter 7 in die in den zwei abgewandt gegenüberliegenden Kanten der Hitzeschildplatte 10 vorgesehene Halternuten 8 ein. Eine Detaildarstellung dieser Befestigung ist in den Figuren 5 und 6 näher angege- ben. Hierbei sind die Halter 7 von gleicher Bauart, wie sie konventionell zur Befestigung der einteiligen keramischen Hitzeschildelemente, z. B. der Benachbarten, verwendet werden, sind jedoch im Unterschied dazu auf eine zwischen der Hitzeschildplatte 10 und der Tragstruktur 16 positionierte metallische Trägerplatte 5 montiert.
Die Durchbohrung 11 dient wie oben beschrieben zum Durchste- cken eines schmalen Montagewerkzeugs, um die Befestigungsschraube 2 in die Tragstruktur 16 einzuschrauben, wo entweder ein Gewinde vorhanden ist oder eine Gegenmutter positioniert wird.
In Figur 4 ist eine perspektivische Ansicht der Tragstruktur 16, beispielsweise einer Turbinenmaschine, dargestellt.
Die Tragstruktur 16 weist parallel angeordnete Nuten 15 auf, in welche die einteiligen keramischen Hitzeschildelemente hintereinander mithilfe der federnden metallischen Halter 7 verklammert werden. Vorzugsweise das letzte Stück des Hitzeschildes wird mit dem erfindungsgemäßen zweiteiligen Hitzeschildelement 1 gebildet.
Hierzu ist in der Tragstruktur 16 genau an der Stelle des letzten Hitzeschildelementes eine Ausbohrung 22 vorgesehen, in welche die vorragende Erstreckung 3 der metallischen Trägerplatte 5 des Hitzeschildelementes eingepasst wird. Gleichzeitig werden die zwei parallel angeordnete und entsprechend dimensionierte Vorstreckungen 13 in die parallel angeordnetn, ggf. verbreiterten Nuten 15 der Tragstruktur 16 eingepasst, sodass das erfindungsgemäße zweiteilige Hitzeschildelement 1 eine genau vorgegebene Position auf der Tragstruktur 16 einnimmt .
Die Tragstruktur 16 kann ferner in bevorzugten Ausgestaltungen Kühlöffnungen 23 aufweisen, die mit Kühlluftkanälen verbunden sind.
Die Fläche der Tragstruktur 16 kann flach oder gekrümmt sein. Ferner kann die Krümmung sowohl konvex als auch konkav ausgebildet sein. Die bevorzugte Bestimmung des erfindungsgemäßen zweiteiligen Hitzeschildelementes 1 ist als ein abschließendes Element des Hitzeschildes in einer dadurch bedingten Montagerichtung, die im Wesentlichen der Normalen auf die Oberfläche der Trag- struktur folgt, vorgesehen. Es kann jedoch im Sinne eines einfacheren Zugangs und verringerten Aufwandes zum Austausch eines defekten Hitzeschildelementes vorgesehen sein, mehrere Abschlussstellen in einer Hitzeschildreihe vorzusehen. Dann müssen nicht alle Hitzeschildelemente einer Reihe ausgebaut werden, um nur wenige Elemente auszutauschen.
Ferner ermöglicht das erfindungsgemäße zweiteilige Hitzeschildelement 1 eine einfache Montage durch eine Person und nur von einer Seite der Anlage aus, wenn in der Tragstruktur 16 eine Gewindevorrichtung oder ein Gewinde für die Befestigungsschraube 2 vorgesehen ist.
Figur 5 zeigt ein Halteelement 7 in einer perspektivischen Darstellung. Das Halteelement 7 ist vorzugsweise aus Metall hergestellt und umfasst einen Befestigungsabschnitt 18, auch Haltefeder genannt, mit dem das Halteelement 7 an einer Tragstruktur 16 einer Brennkammerwand, beispielsweise der Brennkammerwand einer Gasturbinenanlage befestigt werden kann.
Die Halteelemente 7 sind an der Trägerplatte 5 in jeweils einer Nut 6 geführt (vgl. Fig. 6) .
Hierbei greift ein verbreiterter Abschnitt des Befestigungsabschnittes 18, der sogenannte Schuh des Haltelementes 7, eng toleriert in eine parallel zur Oberfläche der Trägerplatte 5 eingelassene (beispielsweise ca. 10 mm tiefe) Nut 6 ein. Eine derartige Befestigung der einteilig aus Keramik hergestellten normalen Hitzeschildelemente an einer Tragstruktur 16 ist bekannt. Erfindungsgemäß ist diese bekannte Befestigungsweise nun auf eine als ein Zwischenelement dienende Trägerplatte 5 angewendet. Hierdurch sind die Vorteile einer erprobten Befestigungsart erfindungsgemäß beibehalten. Die Nut 6 ist so ausgeführt, dass sie nur im Nutgrund die für das Einschieben der Schuhe erforderliche Breite hat. Bei einem Hochziehen des Haltelementes 7 in der Nut 6 stützt dieses sich an dem engen Bereich der Nut 7 ab, wodurch eine das Haltelement 7 haltende Haltekraft vermittelt wird. Der nicht verbreiterte Teil des Befestigungsabschnitts 18 kann dadurch ungehindert in der Nut 6 angehoben werden. Die Befestigungsöffnung 17 im Schuh dient zur Fixierung aller oder mancher Haltelemente 7 in der Nut, was von der Kaltseite der Träger- platte 5 aus mithilfe von Stiften, Arretiermaden oder Ver- schraubung erfolgen kann. Üblicherweise wird ein Hitzeschildelement an zwei gegenüberliegenden Seiten von jeweils zwei Haltelementen 7, also insgesamt von vier Haltelementen 7, gehalten .
Die Befestigungsabschnitte 3 der an der anderen Seite angeordneten Halteelemente 7 sind in einer bevorzugten Ausgestaltung nicht gesichert, sodass sie gleiten können, um die thermische Dehnung des Hitzeschildelementes nicht zu behindern.
An demjenigen Ende der Haltefeder 18, welches dem Ende mit der Befestigungsöffnung 17 gegenüberliegt, ist ein Halterkopf 20 ausgebildet. Dieser Halterkopf 20 weist einen im Wesentlichen rechtwinklig zur Haltefeder 18 angewinkelten Abschnitt 19 sowie ein Greifabschnitt 21, der wiederum im Wesentlichen senkrecht zum Abschnitt 19 abgewinkelt ist, auf. Der Greifabschnitt 21, auch Greiflasche genannt, dient zum Eingriff in die Nut eines Hitzeschildelementes. Ein Hitzeschildelement kann durch Eingriff von Greiflaschen 21 von Halteelementen 7, die an einer Trägerplatte 5 befestigt sind, in die Halternuten 8 einander abgewandter Seiten der Hitzeschildplatte 10 mit der Trägerplatte verklammert werden (siehe Fig. 6) .
Figur 6 zeigt eine vergrößerte perspektivische Teilansicht des erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes 1 im Bereich eines Halteelementes 7. Die oberhalb dargestellte keramische Hitzeschildplatte 10 mit der Heißseite 9 ist hierbei auf der unter ihr angeordneten metallischen Trägerplatte 5 angeordnet und mit dem unter Figur 5 beschriebenen Halteelement 7 verklammert. Die Nut 6 der Trägerplatte 5 weist hierbei einen breiteren Nutgrund und einen engen Bereich 14 auf, durch den die Haltefeder 18 des Halteelementes 7 austreten kann, während der Schuh mit der Befestigungsöffnung 17 zurückgehalten wird.

Claims

Patentansprüche
1. Hitzeschildelement (1) für einen eine Vielzahl benachbart an einer Tragstruktur (16) angeordneter Hitzeschildelemente aufweisenden Hitzeschild, wobei das Hitzeschildelement (1) eine Heißseite (9) und eine Kaltseite (4) aufweist, das Hitzeschildelement (1) eine die Heißseite bildende Hitzeschildplatte (10) und eine die Kaltseite bildende Trägerplatte (5) aufweist, wobei die Hitzeschildplatte (10) auf die Trägerplatte (5) montierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Montage der Hitzeschildplatte (10) auf der Trägerplatte (5) wenigstens eine Durchbohrung (11) in der Hitzeschildplatte (10) vorgesehen ist, wobei die Position dieser Durchboh- rung (11) in der Fläche der Hitzeschildplatte (10) im Wesentlichen als eine symmetrische Position vorgesehen ist.
2. Hitzeschildelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Heißseite bildende Hitzeschildplatte (10) aus einem hitzebeständigen Sinter- oder Keramikwerkstoff ausgebildet ist .
3. Hitzeschildelement (l)nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die die Kaltseite bildende Trägerplatte (5) aus einem metallischen Werkstoff oder einer Metalllegierung ausgebildet ist.
4. Hitzeschildelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Querabmessung der Durchbohrung (11) kleiner als der Durchmesser des Kopfes einer Befestigungsschraube (2), die in die Trägerplatte (5) einsteckbar ist, vorgesehen ist.
5. Hitzeschildelement (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Trägerplatte (5) an einer zur Durchbohrung (11) der Hitzeschildplatte (10) korrespondierenden Position eine Ver- tiefung (12) mit einer Durchbohrung vorgesehen ist, in welche die Befestigungsschraube (2) durchsteckbar ist, wobei der Kopf der Befestigungsschraube (2) in einem durch die Vertiefung (12) und die zur Trägerplatte (5) zugewandte Seite der Hitzeschildplatte (10) ausgebildeten Raum eingesperrt ist.
6. Hitzeschildelement (1) nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Hitzeschildplatte (10) jeweils eine in den zwei einander gegenüber und einander abgewandt liegenden seitlichen Kanten liegende Halternut (8) aufweist, die zum Eingreifen der Halteelemente (7) durch Greifabschnitte (21) vorgesehen sind.
7. Hitzeschildelement (1) nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (5) wenigstens eine Nut (6) aufweist, die einen verbreiteten Nutgrund und einen die offene Nutseite bildenden verengten Bereich (14) aufweist.
8. Hitzeschildelement (1) nach einem vorhergehenden Anspruch 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (5) und die Hitzeschildplatte (10) miteinander mithilfe von wenigstens zwei Halterelementen (7) verklam- mert sind, wobei das Halteelement (7) Mittel zum Eingreifen in die Halternuten (8) der Hitzeschildplatte (10) und Mittel zum Eingreifen in die Nuten (6) der Trägerplatte (5) aufweist.
9. Hitzeschildelement (1) nach einem vorhergehenden Anspruch
6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die im Halteelement (7) ausgebildeten Mittel zum Eingreifen in die Halternuten (8) der Hitzeschildplatte (10) als Greif- abschnitte (21) ausgebildet sind.
10. Hitzeschildelement (1) nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die im Halteelement (7) ausgebildeten Mittel zum Eingreifen in die Nuten (6) der Trägerplatte (5) als ein verbreiterter Schuh ausgebildet sind, dessen Breite zu der Breite des ver- breiteten Nutgrundes der Nut (6) der Trägerplatte (5) korrespondiert .
11. Hitzeschildelement (1) nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (7) einen als Haltefeder (18) dienenden Befestigungsabschnitt (18) aufweist, dessen Breite zu der Breite des verengten Bereiches (14) der Nut (6) der Trägerplatte (5) korrespondiert.
12. Hitzeschildelement (1) nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (a) der Hitzeschildplatte (10) und die Dicke (b) der Trägerplatte (5) eine Gesamtdicke (c) ergeben, die der
Dicke eines einteiligen keramischen Hitzeschildelementes entspricht .
13. Hitzeschild an einer Tragstruktur (16) aufweisend eine Vielzahl von Hitzeschildelementen, mit wenigstens einem Hitzeschildelement (1) nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Hitzeschildelement (1) als ein letztes, eine Reihe von vormontierten benachbarten Hitzeschildelementen abschließen- des Hitzeschildelement vorgesehen ist.
14. Verwendung des Hitzeschildes mit wenigstens einem Hitzeschildelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung einer Verbrennungsanlage oder einer Turbinenma- schine, wobei die Turbinenmaschine als eine Gasturbine oder eine Flüssigkraftstoffturbine ausgeführt ist.
15. Verfahren zum Zusammenbauen eines Hitzeschildelementes
(1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsschraube (2) in die in der Vertiefung (12) vorgesehene Bohrung eingeführt wird, die Hitzeschildplatte (10) mithilfe von wenigstens zwei Halteelementen (7), die mit ihrem jeweiligen Schuh in die Nuten (6) der Trägerplatte (5) eingeführt werden, mit der metallischen Trägerplatte (5) durch Eingriff mittels der Greifabschnitte (21) der Halteelemente (7) in die in den einander abgewandt liegenden Kanten der Hitzeschildplatte (10) vorgesehene Halternuten (8) verklammert werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Halteelement (7) mit der Trägerplatte (5) an der Befestigungsöffnung (17) kraftschlüssig befestigt wird, wobei das diesem wenigstens einen befestigten Halteelement (7) gegenüberliegende Halteelement (7) unbefestigt gelassen wird.
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