EP2883000B1 - Vorrichtung zum kühlen einer tragstruktur eines hitzeschildes und hitzeschild - Google Patents

Vorrichtung zum kühlen einer tragstruktur eines hitzeschildes und hitzeschild Download PDF

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EP2883000B1
EP2883000B1 EP13763244.4A EP13763244A EP2883000B1 EP 2883000 B1 EP2883000 B1 EP 2883000B1 EP 13763244 A EP13763244 A EP 13763244A EP 2883000 B1 EP2883000 B1 EP 2883000B1
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EP
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heat shield
cooling air
supporting structure
support structure
tile
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Sabine GRENDEL
Andre Kluge
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Siemens AG
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Siemens AG
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a heat shield for a combustion chamber of a gas turbine.
  • heat shields are used, which must withstand hot gases of 1000 to 1600 degrees Celsius.
  • gas turbines such as those used in power-generating power plants and in aircraft engines, have correspondingly large surfaces to be shielded by heat shields in the interior of the combustion chambers.
  • the heat shield must be composed of a plurality of individual, generally ceramic heat shield bricks, spaced apart from each other with a sufficient gap to a support structure. This gap provides the heat shield elements with sufficient space for thermal expansion.
  • a generic heat shield thus comprises a support structure and a number of heat shields, which are releasably secured to the support structure by means of stone holders, each heat shield brick having a support structure facing cold side and the cold side opposite, acted upon by a hot medium hot side.
  • Each of the stone holders has at least one holding section for attachment to a heat shield brick and a fastening portion attachable to the tag structure.
  • At least one cooling air passage is provided in the support structure.
  • circular circumferential and parallel fastening grooves may be provided in the support structure.
  • the stone holders are inserted in this case with their attachment portions one after the other in the mounting grooves, with subsequent stone holder block the position of the previously positioned stone holder.
  • a circular encircling series of heat shield bricks may be secured to the support structure within a combustor of a gas turbine.
  • the EP 1 701 095 A1 discloses a heat shield of a combustor of a gas turbine having a support structure and a number of heat shield bricks disposed releasably on the support structure.
  • the heat shield bricks are arranged across the surface, leaving expansion gaps on the support structure, wherein each heat shield brick has a cold-side facing the support structure and a hot side which is opposite to the cold side and can be charged with a hot medium.
  • the heat shield bricks are resiliently fastened to the support structure with four metallic stone holders each.
  • each stone holder comprises a holding section in the form of a gripping section and a fixing section.
  • each heat shield brick side retaining grooves are introduced on two opposite circumferential sides, so that for holding the heat shield brick, the gripping portions of the stone holder opposite can engage in the retaining grooves.
  • the stone holders which are fastened on the heat shield brick in opposite directions, are guided with their fastening portion in a fastening groove extending below the heat shield brick in the support structure.
  • the gripping portions of the metallic stone holder are cooled.
  • openings are made in the stone holder in the region of the holding section and in the retaining bolts of the heat shield bricks, which are aligned with a cooling air hole arranged in the support structure, so that cooling air from the Cooling air hole flowing in direct line on a cold side of the gripping portion bounces.
  • cooling air can thus be flowed into the intermediate space between the cold side of the heat shield brick and the support structure when heat shield bricks are arranged on the support structure.
  • the cooling air can be introduced into the intermediate space by means of the device from an elevated position above the support structure.
  • the cooling air flows laterally out of the device into the intermediate space. This avoids damage to the heat shield stones by impingement cooling and the cooling air is distributed below the heat shield bricks without immediately escape through the expansion gaps between the heat shield bricks. This allows effective cooling of the support structure of the heat shield while avoiding damage to the heat shield stones.
  • the longitudinal axis of the device need not be identical to a longitudinal axis defined by the shape of the body. It is fictitious and, with the device arranged on the support structure, extends through the fastening region of the device and perpendicular to the surface of the support structure. Surface irregularities are not to be considered here.
  • the device is arranged below a heat shield block on the support structure.
  • the device is a threaded pin with integrated cooling air duct. Consequently, it is necessary that the threaded pin for guiding the cooling air is screwed into the existing in the support structure cooling air passage or cooling air bore.
  • the use of a threaded pin allows, for example, based on the selected angle when screwing the determination of the depth of engagement and thus the determination of the position of the heat shield brick facing end of the threaded pin.
  • the at least one output channel extends radially to the longitudinal axis.
  • the cooling air emerging from the outlet channel thus flows parallel to the support structure from an elevated position into the gap between the heat shield bricks and the support structure. This allows the cooling of a wide range of the supporting structure and at the same time avoids impact cooling of the heat shield stones.
  • the device comprises two opposing output channels.
  • This embodiment of the invention is particularly suitable for cooling a mounting groove in the support structure.
  • the device has four output channels. This enables uniform cooling of the support structure areas arranged around the device.
  • the device or the threaded pin may additionally be arranged, for example, below the crossing region of two expansion gaps on the support structure. In this area, cooling air can be injected into the respective gap between the cold side of the heat shield brick and the support structure with only one device with a corresponding number of output channels under the four adjacent heat shield bricks.
  • the combustion system 9 communicates with an annular hot gas duct, for example.
  • a plurality of successively connected turbine stages form the turbine 14.
  • Each turbine stage is formed of blade rings.
  • the hot runner of a row formed by guide vanes 17 is followed by a row of rotor blades 18.
  • the guide vanes 17 are fastened to an inner housing of a stator 19, whereas the moving blades 18 of a row are attached to the rotor 3, for example by means of a turbine disk.
  • Coupled to the rotor 3 is, for example, a generator (not shown).
  • the FIG. 2 schematically shows a device 20 for cooling a support structure of a heat shield according to a first embodiment in a sectional view.
  • the device 20 has a longitudinal axis 21 and comprises a cooling air channel 22.
  • the cooling air channel 22 extends from one end 23 of the device and comprises downstream two outlet channels 25a and 25b, which emerge laterally from the device with respect to the longitudinal axis 21 and are arranged opposite each other ,
  • the device is a threaded pin with a running inside the threaded pin cooling air passage 22.
  • the illustrated device 20 may also be referred to asdemade become.
  • the threaded pin has on its lateral surface 26 a thread (not shown).
  • the thread may, for example, in the region of the end 23 extend over the lateral surface 26 or pull to the opposite end 27.
  • the device 20 can be arranged with its end 23 on a support structure of a heat shield.
  • the cooling grommet is screwed into a provided with an internal thread cooling air hole in the support structure. In this position, cooling air exiting from the cooling air hole can be introduced into the cooling air passage 22, so that the cooling air flows downstream through the output passages 25a, 25b and leaves the cooling boot in the direction indicated by 24a and 24b.
  • FIG. 3 shows a cross section of a device 29 for cooling a support structure according to a second embodiment of the invention.
  • the cross section in this case runs perpendicular to the longitudinal axis 21 at the level of the output channels 30a and 30b.
  • the illustrated device 29 differs from the in FIG. 2 illustrateddemade only by the angle at which exit the output channels 30a and 30b with respect to the longitudinal axis 21 laterally from the device.
  • the output channels extend radially to the longitudinal axis 21 and are arranged opposite one another. Cooling air flowing through the cooling air passage 22 is divided downstream of the output passages 30a and 30b and leaves the cooling boot in the illustrated outflow direction 31a and 31b.
  • FIG. 4 shows a cross section of an apparatus 64 for cooling a support structure according to a third embodiment of the invention.
  • the cross section in this case runs perpendicular to the longitudinal axis 21 at the level of the output channels 66a, 66b, 66c and 66d.
  • the illustrated device 64 differs from that in FIG FIG. 3 showndemade only by the number of output channels.
  • the illustrated embodiment comprises four output channels, which extend radially to the longitudinal axis 21 and are arranged in pairs opposite one another. Cooling air flowing through the cooling air passage 22 is split downstream to the exit channels 66a, 66b, 66c, 66d and exits the cooling grate 64 in the illustrated directions 67a, 67b, 67c, 67d.
  • FIG. 5 shows a section of a heat shield 33 according to the invention with a support structure 34 and a number of heat shield bricks, of which a heat shield brick 35 is shown by way of example in the figure.
  • the heat shield brick 35 has a cold side 36 facing the support structure 34 and a hot side 37 which is opposite the cold side 36 and can be charged with a hot medium.
  • the heat shield brick 35 is fastened to the support structure 34 by means of stone holders 38 and 39.
  • the stone holders 38, 39 are fastened on the one hand with their attachment portions 40, 41 on the support structure 34 and on the other hand engage with their holding portions 42, 43 in retaining grooves 44, 47 on opposite side walls of the heat shield brick 35 a.
  • the heat shield brick 35 resiliently held on the support structure 34 in this way, it is possible, when the hot side 37 is acted upon by hot gases, to produce hot gas in the expansion gaps between adjacent heat shield bricks.
  • the gases which penetrate in the direction 45 are distributed here below the heat shield brick 35 in the intermediate space 46, which extends from the cold side 36 of the heat shield brick 35 to a surface region of the support structure 35 facing the heat shield brick 35. This can lead to a scaling of the support structure 34 below the heat shield brick 35.
  • a device 48 for cooling the support structure 34 below the heat shield brick is arranged on the support structure 34.
  • the device 48 is according to the illustrated embodiment, a threaded pin having a longitudinal axis 21 and a cooling air passage 22.
  • the device 48 may thus also be referred to asdemade 48.
  • the cooling grommet 48 is arranged with its longitudinal axis 21 perpendicular to the surface 51 of the support structure on the support structure, wherein thedemade 48 is screwed with an end facing the support structure 23 in a cooling air passage 50 of the support structure.
  • the cooling air passage 50 is designed as a cooling air hole.
  • the cooling air channel 22 extends from the screwed-in end 23 and comprises downstream two outlet channels 52a, 52b, which emerge laterally from the longitudinal axis 21 from the cooling grate 48.
  • Cooling air hole 50 and cooling air channel 22 correspond to each other, so that cooling air flowing from the cooling air hole enters the cooling air passage 22 and flows into the gap 46 in directions 53a, 53b by means of the cooling grommet 48.
  • the cooling air is thus introduced far away from the expansion gaps below the heat shield brick 35. This allows a particularly effective cooling of the support structure.
  • an impingement cooling of the heat shield brick 35 is avoided.
  • the cooling grommet 48 is arranged in the illustrated embodiment between two mounting portions 40, 41 of the stone holder 38, 39 centrally below the heat shield brick 35, in particular the areas of the support structure fixing the stone holder are cooled.
  • the length of the cooling air hole 50 may be selected such that the cooling grommet 48 is fully retractable during installation and removal of the heat shield bricks therein.
  • FIG. 6 shows that in Fig. 5 shown heat shield 33 in a further sectional view taken along the plane marked with arrows VI-VI.
  • the stone holders are held with their attachment portions in a mounting groove 55 on the support structure 34.
  • the cooling air hole 50 opens into the groove bottom 56 of this fastening groove 55.
  • the cooling grommet 48 is arranged with the longitudinal axis 21 perpendicular to the surface 51 of the support structure 34 in the groove bottom 56 on the cooling air bore 50 and protrudes a distance 58 from the groove Bottom 56 out.
  • the distance 58 is in this case chosen so that thedemade 48 does not touch the cold side 36 of the heat shield 35 and the cooling air from the output channels 52a, 52b flows into the mounting groove 55 and due to the arranged between the stone holders position of thedemade 48 in the space 46 arrived.
  • FIG. 7 shows a section of a heat shield 60 according to the invention according to a fifth embodiment.
  • This is different from the one in Figure 5 represented in that in addition in the groove bottom of the mounting groove a cooling air groove 62 extends.
  • Thedemade 48 is lowered to the level of the groove bottom of the mounting groove in the cooling air hole 50, wherein the output channels 52a, 52b of thedemade 48 open in the longitudinal direction in the cooling air groove 62.
  • This has the advantage that the stone holder can be moved over thedemade 48 away for installation and removal of the heat shield bricks 35 through the mounting groove.
  • the function of thedemade 48 remains hereby.
  • the effluent from thedemade 48 cooling air is injected into the cooling air groove 62 and flows at the ends by means of an outlet 63 in the gap 46 between the cold side of the heat shield brick 35 and the support structure 34 and cools the Support structure 34 below the heat shield brick 35 while avoiding a baffle cooling of the same.
  • FIG. 8 shows that in Figure 7 illustrated heat shield 60 in a sectional view taken along the plane indicated by the arrows VIII-VIII.
  • the stone holder (not shown in this view) securing the heat shield brick 35 to the support structure 34 are held with their attachment portions in the attachment groove 55 on the support structure 34.
  • the cooling air hole 50 opens into the groove bottom 56 of this fastening groove 55.
  • the cooling grommet 48 is arranged with the longitudinal axis 21 perpendicular to the surface 51 of the support structure 34 in the groove bottom 56 on the cooling air bore 50 and up to the level of the groove bottom 56th lowered in the cooling air hole 50.
  • the cooling air emerging from the outlet channels 52a, 52b of the cooling grate 48 first flows into the cooling air groove 62 and passes from here into the intermediate space 46. In this, the cooling air can spread and effectively cool the support structure beneath the heat shield brick 35.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Hitzeschild für eine Brennkammer einer Gasturbine.
    In vielen technischen Anwendungen werden Hitzeschilde verwendet, welche Heißgasen von 1000 bis 1600 Grad Celsius widerstehen müssen. Insbesondere Gasturbinen, wie sie in stromerzeugenden Kraftwerken und in Flugzeugtriebwerken Verwendung finden, weisen entsprechend große durch Hitzeschilde abzuschirmende Flächen im Innern der Brennkammern auf. Wegen der thermischen Ausdehnung und wegen großer Abmessungen muss das Hitzeschild aus einer Vielzahl einzelner, im Allgemeinen keramischer Hitzeschildsteine zusammengesetzt werden, die voneinander mit einem ausreichenden Spalt beabstandet an einer Tragstruktur befestigt 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 metallischen Tragstruktur und den Halteelementen ermöglicht, wird als eine Gegenmaßnahme durch die Spalte in Richtung der Brennkammer Kühlluft eingedüst. Beispiele hierzu offenbaren die Schriften EP 0 224 817 A1 sowie die DE 197 30 751 A1 .
    Ein gattungsgemäßes Hitzeschild umfasst somit eine Tragstruktur und eine Anzahl von Hitzeschildsteinen, welche an der Tragstruktur mittels Steinhaltern lösbar befestigt sind, wobei jeder Hitzeschildstein eine der Tragstruktur zugewandte Kaltseite und eine der Kaltseite gegenüberliegende, mit einem heißen Medium beaufschlagbare Heißseite aufweist. Jeder der Steinhalter weist mindestens einen Halteabschnitt zur Befestigung an einem Hitzeschildstein und einen an der Tagstruktur befestigbaren Befestigungsabschnitt auf. Zum Schutz vor Heißgasen ist mindestens eine Kühlluftpassage in der Tragstruktur vorgesehen.
  • Zur Befestigung der Steinhalter an der Tragstruktur können in der Tragstruktur kreisförmig umlaufende und parallele Befestigungs-Nuten vorgesehen sein. Die Steinhalter werden in diesem Fall mit ihren Befestigungsabschnitten nacheinander in die Befestigungs-Nuten eingeschoben, wobei nachkommende Steinhalter die Position der vorher positionierten Steinhalter versperren. Auf diese Weise kann eine kreisförmig umlaufende Reihe von Hitzeschildsteinen an der Tragstruktur innerhalb einer Brennkammer einer Gasturbine befestigt werden.
  • Die EP 1 701 095 A1 offenbart ein Hitzeschild einer Brennkammer einer Gasturbine mit einer Tragstruktur und einer Anzahl von lösbar an der Tragstruktur angeordneten Hitzeschildsteinen. Zum Schutz der Brennkammerwand sind die Hitzeschildsteine flächendeckend unter Belassung von Dehnungsspalten an der Tragstruktur angeordnet, wobei jeder Hitzeschildstein eine der Tragstruktur zugewandte Kaltseite und eine der Kaltseite gegenüberliegende, mit einem heißen Medium beaufschlagbare Heißseite aufweist. Die Hitzeschildsteine sind mit je vier metallischen Steinhaltern federnd an der Tragstruktur befestigt. Hierzu umfasst jeder Steinhalter einen Halteabschnitt in Form eines Greifabschnitts und einen Befestigungsabschnitt. In jeder Hitzeschildsteinseite sind an zwei gegenüberliegenden Umfangsseiten Haltenuten eingebracht, so dass zum Halten des Hitzeschildsteins die Greifabschnitte der Steinhalter gegenüberliegend in die Haltenuten eingreifen können. Die derart am Hitzeschildstein gegenüberliegend befestigten Steinhalter sind mit ihrem Befestigungsabschnitt in einer unterhalb des Hitzeschildsteins verlaufenden Befestigungs-Nut in der Tragstruktur geführt. Zum Schutz vor Heißgasen sind die Greifabschnitte der metallischen Steinhalter gekühlt. Hierzu sind in die Steinhalter im Bereich des Halteabschnitts und in die Halteriegel der Hitzeschildsteine Öffnungen eingebracht, welche mit einer in der Tragstruktur angeordneten Kühlluftbohrung fluchten, so dass Kühlluft aus der Kühlluftbohrung strömend in direkter Linie auf eine Kaltseite des Greifabschnittes prallt.
    Trotz dieser Kühlung der Greifabschnitte gemäß dem Stand der Technik kann es bei Beaufschlagung des Hitzeschildes mit Heißgas zu Heißgaseinzug im Bereich der Dehnungsspalten zwischen den Hitzeschildsteinen kommen. Das Heißgas kann sich sodann unterhalb des Hitzeschildes ausbreiten und zur Verzunderung der Tragstruktur führen.
  • Das Dokument EP 2 261 564 A1 beschreibt eine Vorrichtung gemäß dem Gegenstand des Anspruchs 1.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Hitzeschild mit einer verbesserten Kühlung der Tragstruktur anzugeben, so dass eine Verzunderung der Tragstruktur aufgrund von Heißgaseinzug besonders effektiv vermieden werden kann.
  • Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß ist somit bei an der Tragstruktur angeordneten Hitzeschildsteinen Kühlluft in den Zwischenraum zwischen Kaltseite des Hitzeschildsteines und der Tragstruktur einströmbar. Die Kühlluft kann hierbei mittels der Vorrichtung von einer über der Tragstruktur erhöhten Position aus in den Zwischenraum eingebracht werden. Zudem strömt die Kühlluft seitlich aus der Vorrichtung in den Zwischenraum ein. Dies vermeidet eine Schädigung der Hitzeschildsteine durch Prallkühlung und die Kühlluft verteilt sich unterhalb der Hitzeschildsteine ohne sofort durch die Dehnungsspalten zwischen den Hitzeschildsteinen zu entweichen. Diese ermöglicht eine effektive Kühlung der Tragstruktur des Hitzeschildes unter Vermeidung einer Schädigung der Hitzeschildsteine.
  • Die Längsachse der Vorrichtung muss nicht identisch mit einer durch die Form des Körpers vorgegebenen Längsachse sein. Sie ist fiktiv und verläuft bei an der Tragstruktur angeordneter Vorrichtung durch den Befestigungsbereich der Vorrichtung hindurch und senkrecht zur Oberfläche der Tragstruktur. Oberflächenunebenheiten sind hierbei nicht zu berücksichtigen.
  • Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung unterhalb eines Hitzeschildsteins an der Tragstruktur angeordnet.
  • Erfindungsgemäß ist es zunächst erforderlich, dass die Vorrichtung ein Gewindestift mit integriertem Kühlluftkanal ist. Folglich ist es erforderlich, dass der Gewindestift zur Leitung der Kühlluft in die in der Tragstruktur vorhandene Kühlluftpassage bzw. Kühlluftbohrung eingeschraubt ist.
    Die Verwendung eines Gewindestiftes ermöglicht beispielsweise anhand des beim Einschrauben gewählten Drehwinkels die Feststellung der Einschraubtiefe und somit die Festlegung der Lage des zum Hitzeschildstein weisenden Endes des Gewindestiftes.
  • Diese Weiterbildung der Erfindung weist einen besonders einfachen Aufbau auf und ist somit mit geringen Herstellungskosten verbunden.
    Vorteilhafterweise kann weiter vorgesehen sein, dass der mindestens eine Ausgangskanal radial zur Längsachse verläuft.
    Die aus dem Ausgangskanal austretende Kühlluft strömt somit parallel zur Tragstruktur von einer erhöhten Position aus in den Zwischenraum zwischen Hitzeschildsteinen und Tragstruktur ein. Dies ermöglicht die Kühlung eines weiten Bereiches der Tragstruktur und vermeidet gleichzeitig eine Prallkühlung der Hitzeschildsteine.
  • Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass die Vorrichtung zwei gegenüberliegende Ausgangskanäle umfasst.
    Diese Ausgestaltung der Erfindung eignet sich besonders zur Kühlung einer Befestigungs-Nut in der Tragstruktur.
    Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass die Vorrichtung vier Ausgangskanäle aufweist.
    Dies ermöglicht eine gleichmäßige Kühlung der um die Vorrichtung herum angeordneten Tragstrukturbereiche.
    Die Vorrichtung bzw. der Gewindestift kann zusätzlich beispielsweise unterhalb des Kreuzungsbereiches zweier Dehnungsspalten an der Tragstruktur angeordnet sein. In diesem Bereich kann mit nur einer Vorrichtung bei entsprechender Anzahl an Ausgangskanälen unter den vier angrenzenden Hitzeschildsteinen Kühlluft in den jeweiligen Zwischenraum zwischen der Kaltseite des Hitzeschildsteins und der Tragstruktur eingedüst werden.
  • Entsprechend dieser Weiterbildung kann die Vorrichtung insbesondere unterhalb eines Hitzeschildsteines in der Nähe eines Befestigungsabschnitts eines Steinhalters angeordnet sein. Hierbei können die seitlich austretenden Ausgangskanäle in Richtung der Tragstruktur geneigt und derart positioniert sein, dass der mindestens eine austretende Kühlluftstrahl auf diejenigen Strukturen gerichtet ist, welche die Steinhalter in ihrer Befestigung halten.
    Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Vorrichtung zwischen zwei Befestigungsabschnitten der Steinhalter im Wesentlichen mittig unter einem Hitzeschildstein angeordnet.
    Mit anderen Worten befindet sich die Vorrichtung zwischen zwei Befestigungsabschnitten zweier gegenüberliegender Steinhalter, welche einen gemeinsamen Hitzeschildstein an gegenüberliegenden Seitenwänden des Hitzeschildsteines halten. Auf diese Weise lässt sich die aus der Vorrichtung austretende Kühlluft unterhalb des Hitzeschildsteines eindüsen, ohne dass die Steinhalter den Strömungsweg der Kühlluft blockieren.
    Es kann auch als vorteilhaft betrachtet werden, dass die Kühlluft-Nut an ihren Enden einen Auslauf umfasst.
    Dies ermöglicht einen strömungstechnisch verbesserten Austritt der Kühlluft aus der Kühlluft-Nut.
    Zur Versenkung der Vorrichtung in der Tragstruktur kann die Vorrichtung beispielsweise vollständig in die Tragstruktur einschraubbar sein. Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Weiterbildung kann die Vorrichtung in zwei ineinander überführbare Positionen an der Tragstruktur anordenbar sein. Dabei dient eine erste Position mit der Längsachse senkrecht zur Tragstruktur-Oberfläche dem Einleiten von Kühlluft und eine zweite Position mit der Längsachse parallel zur Oberfläche der Tragstruktur der Versenkung der Vorrichtung.
    Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figur der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen.
    Dabei zeigt die
    • Fig.1
    eine schematische Darstellung einer Gasturbine nach dem Stand der Technik,
    Fig.2
    schematisch eine Vorrichtung zum Kühlen einer Tragstruktur eines Hitzeschildes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Schnittansicht,
    Fig.3
    schematisch einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zum Kühlen der Tragstruktur gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
    Fig.4
    schematisch einen Querschnitt einer Vorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
    Fig.5
    schematisch einen Ausschnitt eines Hitzeschildes mit einer an der Tragstruktur angeordneten Vorrichtung zum Kühlen der Tragstruktur gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
    Fig.6
    eine schematische Darstellung des in Fig.5 dargestellten Hitzeschilds in einer weiteren Schnittansicht entlang der in Fig.5 durch die Pfeile VI-VI gekennzeichneten Ebene,
    Fig.7
    schematisch einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Hitzeschildes und
    Fig.8
    das in Fig.7 dargestellte Hitzeschild in einer Schnittansicht entlang der in Fig.7 durch die Pfeile VIII-VIII gekennzeichneten Ebene.
    Die Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Gasturbine 1 nach dem Stand der Technik. Die Gasturbine 1 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 2 drehgelagerten Rotor 3 mit einer Welle 4 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 3 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 6, ein Verdichter 8, ein Verbrennungssystem 9 mit einer Anzahl an Brennkammern 10, die jeweils eine Brenneranordnung 11 und ein Gehäuse 12 umfassen, eine Turbine 14 und ein Abgasgehäuse 15. Das Gehäuse 12 ist zum Schutz vor Heißgasen mit einem Hitzeschild (nicht dargestellt) ausgekleidet.
  • Das Verbrennungssystem 9 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal. Dort bilden mehrere hintereinander geschaltete Turbinenstufen die Turbine 14. Jede Turbinenstufe ist aus Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums gesehen, folgt im Heißkanal einer aus Leitschaufeln 17 gebildeten Reihe eine aus Laufschaufeln 18 gebildete Reihe. Die Leitschaufeln 17 sind dabei an einem Innengehäuse eines Stators 19 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 18 einer Reihe beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe am Rotor 3 angebracht sind. An dem Rotor 3 angekoppelt ist beispielsweise ein Generator (nicht dargestellt).
  • Während des Betriebes der Gasturbine wird vom Verdichter 8 durch das Ansauggehäuse 6 Luft angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 8 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu dem Verbrennungssystem 9 geführt und dort im Bereich der Brenneranordnung 11 mit einem Brennstoff vermischt. Das Gemisch wird dann mit Hilfe der Brenneranordnung 11 unter Bildung eines Arbeitsgasstromes im Verbrennungssystem 9 verbrannt. Von dort strömt der Arbeitsgasstrom entlang des Heißgaskanals an den Leitschaufeln 17 und den Laufschaufeln 18 vorbei. An den Laufschaufeln 18 entspannt sich der Arbeitsgasstrom impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 18 den Rotor 3 antreiben und dieser den an ihn angekoppelten Generator (nicht dargestellt).
  • Die Figur 2 zeigt schematisch eine Vorrichtung 20 zum Kühlen einer Tragstruktur eines Hitzeschildes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Schnittansicht.
    Die Vorrichtung 20 weist eine Längsachse 21 auf und umfasst einen Kühlluftkanal 22. Der Kühlluftkanal 22 erstreckt sich von einem Ende 23 der Vorrichtung und umfasst stromab zwei Ausgangskanäle 25a und 25b, welche in Bezug auf die Längsachse 21 seitlich aus der Vorrichtung austreten und gegenüberliegend angeordnet sind. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung ein Gewindestift mit einem im Inneren des Gewindestifts verlaufenden Kühlluftkanal 22. Die dargestellte Vorrichtung 20 kann auch als Kühlmade bezeichnet werden. Der Gewindestift weist auf seiner Mantelfläche 26 ein Gewinde (nicht dargestellt) auf. Das Gewinde kann sich beispielsweise im Bereich des Endes 23 über die Mantelfläche 26 erstrecken oder sich bis zum gegenüberliegenden Ende 27 ziehen. Die Vorrichtung 20 ist mit ihrem Ende 23 an einer Tragstruktur eines Hitzeschildes anordenbar. Beispielsweise indem die Kühlmade in eine mit einem Innengewinde versehene Kühlluftbohrung in die Tragstruktur eingeschraubt wird. In dieser Position ist aus der Kühlluftbohrung austretende Kühlluft in den Kühlluftkanal 22 einleitbar, so dass die Kühlluft stromab durch die Ausgangskanäle 25a, 25b strömt und die Kühlmade in der mit 24a und 24b bezeichneten Richtung verlässt.
  • Die Figur 3 zeigt einen Querschnitt einer Vorrichtung 29 zum Kühlen einer Tragstruktur gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Querschnitt verläuft hierbei senkrecht zu der Längsachse 21 auf Höhe der Ausgangskanäle 30a und 30b. Die dargestellte Vorrichtung 29 unterscheidet sich von der in Figur 2 dargestellten Kühlmade lediglich durch den Winkel, unter dem die Ausgangskanäle 30a und 30b in Bezug auf die Längsachse 21 seitlich aus der Vorrichtung austreten. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel verlaufen die Ausgangskanäle radial zur Längsachse 21 und sind gegenüberliegend angeordnet. Durch den Kühlluftkanal 22 strömende Kühlluft wird stromab auf die Ausgangskanäle 30a und 30b aufgeteilt und verlässt die Kühlmade in der dargestellten Ausströmrichtung 31a und 31b.
  • Die Figur 4 zeigt einen Querschnitt einer Vorrichtung 64 zum Kühlen einer Tragstruktur gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Querschnitt verläuft hierbei senkrecht zu der Längsachse 21 auf Höhe der Ausgangskanäle 66a, 66b, 66c und 66d. Die dargestellte Vorrichtung 64 unterscheidet sich von der in Figur 3 dargestellten Kühlmade lediglich durch die Anzahl der Ausgangskanäle. Das dargestellte Ausführungsbeispiel umfasst vier Ausgangskanäle, welche radial zur Längsachse 21 verlaufen und paarweise gegenüberliegend angeordnet sind. Durch den Kühlluftkanal 22 strömende Kühlluft wird stromab auf die Ausgangskanäle 66a, 66b, 66c, 66d aufgeteilt und verlässt die Kühlmade 64 in den dargestellten Richtungen 67a, 67b, 67c, 67d.
  • Die Figur 5 zeigt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Hitzeschildes 33 mit einer Tragstruktur 34 und einer Anzahl von Hitzeschildsteinen, von denen beispielhaft ein Hitzeschildstein 35 in der Figur dargestellt ist. Der Hitzeschildstein 35 weist eine der Tragstruktur 34 zugewandte Kaltseite 36 und eine der Kaltseite 36 gegenüberliegende, mit einem heißen Medium beaufschlagbare Heißseite 37 auf. Der Hitzeschildstein 35 ist mittels Steinhaltern 38 und 39 an der Tragstruktur 34 befestigt. Hierzu sind die Steinhalter 38, 39 einerseits mit ihren Befestigungsabschnitten 40, 41 an der Tragstruktur 34 befestigt und greifen andererseits mit ihren Halteabschnitten 42, 43 in Halte-Nuten 44, 47 an gegenüberliegenden Seitenwänden des Hitzeschildsteins 35 ein. Bei dem auf diese Weise federnd an der Tragstruktur 34 gehaltenen Hitzeschildstein 35 kann es bei Beaufschlagung der Heißseite 37 mit heißen Gasen zu Heißgaseinzug in die Dehnungsspalten zwischen benachbarten Hitzeschildsteinen kommen. Die in der Richtung 45 eindringenden Gase verteilen sich hierbei unter dem Hitzeschildstein 35 im Zwischenraum 46, der sich von der Kaltseite 36 des Hitzeschildsteines 35 zu einem dem Hitzeschildstein 35 zugewandten Oberflächenbereich der Tragstruktur 35 erstreckt. Dadurch kann es zu einer Verzunderung der Tragstruktur 34 unterhalb des Hitzeschildsteines 35 kommen. Zum Schutz vor Heißgasen ist eine Vorrichtung 48 zur Kühlung der Tragstruktur 34 unterhalb des Hitzeschildsteines an der Tragstruktur 34 angeordnet. Bei der Vorrichtung 48 handelt es sich gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel um einen Gewindestift mit einer Längsachse 21 und einem Kühlluftkanal 22. Die Vorrichtung 48 kann somit auch als Kühlmade 48 bezeichnet werden. Die Kühlmade 48 ist mit ihrer Längsachse 21 senkrecht zur Oberfläche 51 der Tragstruktur an der Tragstruktur angeordnet, wobei die Kühlmade 48 mit einem zur Tragstruktur weisenden Ende 23 in eine Kühlluftpassage 50 der Tragstruktur eingeschraubt ist. Die Kühlluftpassage 50 ist als Kühlluftbohrung ausgeführt. Der Kühlluftkanal 22 erstreckt sich von dem eingeschraubten Ende 23 und umfasst stromab zwei Ausgangskanäle 52a, 52b, welche seitlich der Längsachse 21 aus der Kühlmade 48 austreten. Kühlluftbohrung 50 und Kühlluftkanal 22 korrespondieren miteinander, so dass aus der Kühlluftbohrung strömende Kühlluft in den Kühlluftkanal 22 eintritt und mittels der Kühlmade 48 in Richtungen 53a, 53b in den Zwischenraum 46 einströmt. Die Kühlluft wird somit fern der Dehnungsspalten unterhalb des Hitzeschildsteines 35 eingeleitet. Dies ermöglicht eine besonders effektive Kühlung der Tragstruktur. Zudem ist eine Prallkühlung des Hitzeschildsteines 35 vermieden. Da die Kühlmade 48 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen zwei Befestigungsabschnitten 40, 41 der Steinhalter 38, 39 mittig unter dem Hitzeschildstein 35 angeordnet ist, werden insbesondere die die Steinhalter befestigenden Bereiche der Tragstruktur gekühlt. Auch kann die Länge der Kühlluftbohrung 50 derart gewählt werden, dass die Kühlmade 48 während des Ein- und Ausbaus der Hitzeschildsteine in dieser vollständig versenkbar ist.
  • Die Figur 6 zeigt das in Fig. 5 dargestellte Hitzeschild 33 in einer weiteren Schnittansicht entlang der mit Pfeilen VI-VI gekennzeichneten Ebene. In dieser Ansicht ist gezeigt, dass die Steinhalter mit ihren Befestigungsabschnitten in einer Befestigungs-Nut 55 an der Tragstruktur 34 gehalten sind. Die Kühlluftbohrung 50 mündet in den Nut-Boden 56 dieser Befestigungs-Nut 55. Die Kühlmade 48 ist mit der Längsachse 21 senkrecht zur Oberfläche 51 der Tragstruktur 34 im Nut-Boden 56 an der Kühlluftbohrung 50 angeordnet und ragt eine Strecke 58 aus dem Nut-Boden 56 heraus. Die Strecke 58 ist hierbei so gewählt, dass die Kühlmade 48 nicht die Kaltseite 36 des Hitzeschildsteins 35 berührt und die Kühlluft aus den Ausgangskanälen 52a, 52b strömend in die Befestigungs-Nut 55 und aufgrund der zwischen den Steinhaltern angeordneten Position der Kühlmade 48 in den Zwischenraum 46 gelangt.
  • Die Figur 7 zeigt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Hitzeschilds 60 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel. Dieses unterscheidet sich von dem in Fig.5 dargestellten dadurch, dass zusätzlich im Nut-Boden der Befestigungs-Nut eine Kühlluft-Nut 62 verläuft. Die Kühlmade 48 ist bis auf Höhe des Nutbodens der Befestigungs-Nut in der Kühlluftbohrung 50 abgesenkt, wobei die Ausgangskanäle 52a, 52b der Kühlmade 48 sich in Längsrichtung in die Kühlluft-Nut 62 öffnen. Dies hat den Vorteil, dass die Steinhalter über die Kühlmade 48 hinweg zum Ein- und Ausbau der Hitzeschildsteine 35 durch die Befestigungs-Nut bewegt werden können. Die Funktion der Kühlmade 48 bleibt hierbei erhalten. Die aus der Kühlmade 48 ausströmende Kühlluft, deren Strömungsrichtungen beispielhaft mit Pfeilen dargestellt ist, wird in die Kühlluft-Nut 62 eingedüst und strömt an deren Enden mittels eines Auslaufs 63 in den Zwischenraum 46 zwischen Kaltseite des Hitzeschildsteines 35 und der Tragstruktur 34 ein und kühlt die Tragstruktur 34 unterhalb des Hitzeschildsteines 35 unter Vermeidung einer Prallkühlung desselben.
  • Die Figur 8 zeigt das in Fig.7 dargestellten Hitzeschild 60 in einer Schnittansicht entlang der durch die Pfeile VIII-VIII gekennzeichneten Ebene. Die den Hitzeschildstein 35 an der Tragstruktur 34 befestigenden Steinhaltern (in dieser Ansicht nicht dargestellt) werden mit ihren Befestigungsabschnitten in der Befestigungs-Nut 55 an der Tragstruktur 34 gehalten. Die Kühlluftbohrung 50 mündet in den Nut-Boden 56 dieser Befestigungs-Nut 55. Die Kühlmade 48 ist mit der Längsachse 21 senkrecht zur Oberfläche 51 der Tragstruktur 34 im Nut-Boden 56 an der Kühlluftbohrung 50 angeordnet und bis auf Höhe des Nut-Bodens 56 in der Kühlluftbohrung 50 abgesenkt. Dadurch können die Steinhalter zum Ein- und Ausbau der Hitzeschildsteine 35 frei in der Befestigungs-Nut 55 verschoben werden. Die aus den Ausgangskanälen 52a, 52b der Kühlmade 48 austretende Kühlluft strömt zunächst in die Kühlluft-Nut 62 ein und gelangt von hier in den Zwischenraum 46. In diesem kann sich die Kühlluft verteilen und die Tragstruktur unterhalb des Hitzeschildsteines 35 effektiv kühlen.

Claims (6)

  1. Hitzeschild (33, 60) für eine Brennkammer (10) einer Gasturbine (1), mit einer Tragstruktur (34) und einer Anzahl von Hitzeschildsteinen (35), welche an der Tragstruktur (34) mittels Steinhaltern (38, 39) lösbar befestigt sind, wobei jeder Hitzeschildstein (35) eine der Tragstruktur (34) zugewandte Kaltseite (36) und eine der Kaltseite (36) gegenüberliegende mit einem heißen Medium beaufschlagbare Heißseite (37) aufweist, wobei jeder Steinhalter (38, 39) mindestens einen Halteabschnitt (42, 43) zur Befestigung an einem Hitzeschildstein (35) und einen an der Tagstruktur (34) befestigbaren Befestigungsabschnitt (40, 41) aufweist, welcher (40, 41) innerhalb von in der Tragstruktur (34) verlaufenden Befestigungs-Nuten (55) lösbar befestigt ist, wobei zum Schutz vor Heißgasen mindestens eine Kühlluftpassage (50) in der Tragstruktur (34) angeordnet ist, welche (50) in den Nut-Boden (56) der Befestigungs-Nut (55) mündet, und mit einer unterhalb eines Hitzeschildsteins (35) an der Tragstruktur (34) im Nut-Boden (56) an der Kühlluftpassage (50) angeordneten Vorrichtung (20, 29, 48, 64), welche (20, 29, 48, 64) eine senkrecht zur Oberfläche (51) der Tragstruktur (34) ausgerichtete Längsachse (21) und einen Kühlluftkanal (22) aufweist, welcher (22) sich von einem zur Tragstruktur weisenden Ende (23) der Vorrichtung (20, 29, 48, 64) aus erstreckt und mit mindestens der Kühlluftpassage (50) korrespondiert und in den Zwischenraum zwischen Kaltseite (36) des Hitzeschildsteins (35) und der Tragstruktur (34) mündet und stromab mindestens einen Ausgangskanal (25a, 25b, 30a, 30b, 52a, 52b, 66a, 66b, 66c, 66d) umfasst, welcher (25a, 25b, 30a, 30b, 52a, 52b, 66a, 66b, 66c, 66d) in Bezug auf die Längsachse (21) seitlich aus der Vorrichtung (20, 29, 48, 64) austritt,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Vorrichtung (20, 29, 48, 64) ein Gewindestift mit integriertem Kühlluftkanal (22) ist;
    und dass im Nut-Boden (56) der Befestigungs-Nut (55) eine Kühlluft-Nut (62) verläuft und der Gewindestift (20, 29, 48, 64) in die Kühlluftbohrung (50) mindestens auf Höhe des Nut-Bodens (56) abgesenkt ist, wobei sich die Ausgangskanäle (52a, 52b) in die Kühlluft-Nut (62) öffnen,
    oder dass der Gewindestift (20, 29, 48, 64) zum Ein- und Ausbau der Hitzeschildsteine (35) in der Tragstruktur (34) mindestens auf Höhe des Nut-Bodens (56) versenkbar ist.
  2. Hitzeschild (33, 60) nach Anspruch 1 ,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der mindestens eine Ausgangskanal (30a, 30b, 52a, 52b, 66a, 66b, 66c, 66d) radial zur Längsachse (21) verläuft.
  3. Hitzeschild (33, 60) nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei gegenüberliegende Ausgangskanäle (25a, 25b, 30a, 30b, 52a, 52b, 66a, 66b, 66c, 66d) umfasst sind.
  4. Hitzeschild (33, 60) nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Gewindestift (64) vier Ausgangskanäle (66a, 66b, 66c, 66d) aufweist.
  5. Hitzeschild (33, 60) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Gewindestift (20, 29, 48, 64) zwischen zwei Befestigungsabschnitten (40, 41) der Steinhalter (38, 39) im Wesentlichen mittig unter einem Hitzeschildstein (35) angeordnet ist.
  6. Hitzeschild (60) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kühlluft-Nut (62) an ihren Enden einen Auslauf (63) umfasst.
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