EP2927592A1 - Hitzeschildelement, Hitzeschild und Turbinenmaschine - Google Patents

Hitzeschildelement, Hitzeschild und Turbinenmaschine Download PDF

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EP2927592A1
EP2927592A1 EP14162690.3A EP14162690A EP2927592A1 EP 2927592 A1 EP2927592 A1 EP 2927592A1 EP 14162690 A EP14162690 A EP 14162690A EP 2927592 A1 EP2927592 A1 EP 2927592A1
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EP
European Patent Office
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heat shield
shield element
cooling air
hollow chamber
turbine engine
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14162690.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Böttcher
Matthias CHLEBOWSKI
Andre Kluge
Stefan Reich
Daniel Vogtmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/007—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel constructed mainly of ceramic components

Definitions

  • the present invention relates to a heat shield element, which forms one of a plurality of heat shield elements of a heat shield in the intended state, which are arranged adjacent to each other on a support structure of the heat shield, wherein the heat shield element facing the support structure in the intended state inside, one of the inside opposite outside and the inside and the outside has interconnecting end faces. Furthermore, the present invention relates to a heat shield with a plurality of such heat shield elements and a turbine engine with at least one such heat shield.
  • Heat shields serve to thermally shield machine areas that are exposed to very high operating temperatures in the range between 1,000 and 1,600 ° C.
  • they are used for the combustion chamber shielding of gas turbines and turbine engines. They comprise a plurality of heat shield elements, which are usually produced in one piece from ceramic stone and arranged adjacent to each other on a support structure, wherein between the individual heat shield elements each have a sufficiently large gap is left to compensate for thermal expansion of the heat shield elements during operation can.
  • hot combustion gas can flow in the direction of the support structure during operation and cause damage to this and to the metallic brackets with which the heat shield elements are attached to the support structure. Such damage can affect the function of the heat shield and thus lead to overheating and failure of machine components.
  • the present invention provides a heat shield of the type mentioned, which is characterized in that at least one hollow chamber open to the inside is provided. During operation, the hollow chamber flows through the cooling air, which leads to the formation of an insulating air cushion within the hollow chamber, which relieves the high temperature gradient across the heat shield elements.
  • a comparatively small supply of cooling air is required to achieve effective cooling, which has a positive effect on the possible increase in output of a turbine engine in which the heat shield element is used, as well as on the nitrogen oxide emission of the turbine engine.
  • a material saving and thus a weight reduction of the heat shield element go hand in hand.
  • the weight reduction results in a passive safety, which are used to increase the Brummgrenzhong can.
  • a light heat shield element is stimulated only at higher accelerations to the extent that it stands out, which in principle must be avoided in order to avoid damage to the heat shield element, so that higher acceleration amplitudes can be allowed for the same limit force.
  • the at least one hollow chamber occupies at least 40% of the total volume of the heat shield element, in particular between 50 and 80% of the total volume of a heat shield element, wherein the total volume of the heat shield element in this case corresponds to the total volume of a solid or formed as a full body heat shield element.
  • the total volume of the heat shield element in this case corresponds to the total volume of a solid or formed as a full body heat shield element.
  • At least one support rib is provided within the hollow chamber, which serves to stiffen the heat shield element.
  • a plurality of support ribs are arranged distributed along the circumference of the at least one hollow chamber, whereby a particularly stable construction is achieved.
  • At least one cooling air outlet opening extending through an end face is provided, through which the cooling air can escape from the hollow chamber.
  • the at least one cooling air outlet opening is formed in the form of a groove, which is advantageous in that it can be produced easily and inexpensively.
  • a plurality of cooling air outlet openings are provided distributed over the circumference of the heat shield element, so that a good circulation of the cooling air is ensured.
  • the heat shield element is advantageously made of ceramic stone for reasons of temperature resistance.
  • the present invention further provides a heat shield with a plurality of heat shield elements according to the invention.
  • the present invention provides a turbomachine with at least one heat shield according to the invention.
  • FIGS. 1 and 2 show a one-piece made of ceramic stone heat shield element 1 according to an embodiment of the present invention, which forms one of a plurality of heat shield elements of a heat shield in the intended state, which are arranged adjacent to each other on a support structure of the heat shield, as described in more detail below with reference to FIG. 3 is explained.
  • the heat shield element 1 comprises an inner side 2 facing the support structure in the intended state, an outer side 3 opposite the inner side 2 and the inner side 2 and the outer side 3 connecting to one another End faces 4, 5, 6 and 7. Further, the heat shield element 1 has an open to the inside 2 hollow chamber 8, which occupies about 60% of the total volume of the heat shield element 1 in the present case.
  • a plurality of support ribs are provided within the hollow chamber 8, which are arranged distributed substantially uniformly along the circumference of the hollow chamber 8 and extending between the hollow chamber 8 defining walls.
  • a plurality of cooling air outlet openings 10 which are each formed in the form of a groove and are also arranged distributed uniformly over the circumference of the heat shield element 1.
  • externally accessible pockets 11 which serve to receive each provided with a pressure distribution disc mounting screws with which the heat shield element 1 is fixed in the intended condition to a support structure of a heat shield.
  • opening openings 12 opening into the pockets 11 are introduced, through which, for example, an Allen wrench for tightening and loosening said fastening screws can be inserted.
  • FIG. 3 shows two heat shield elements 1, which are fastened by means of fastening screws to a support structure 13 of a heat shield, such as on the support structure of a heat shield of a combustion chamber of a gas turbine.
  • the attachment of heat shield elements to a support structure by means of fastening screws is well known to the skilled person, which is why in FIG. 2
  • a representation has been omitted. Cooling air holes that extend through the support structure 13, Between adjacent heat shield elements 1 each have a gap 14 left, the dimensions of which are chosen such that thermal expansion of the heat shield elements 1 can be compensated during operation.
  • cooling air is introduced into the hollow chambers 8 of the heat shield elements 1 by a plurality of cooling air holes, not shown, which extend through the support structure 13.
  • the cooling air circulates within the hollow chambers 8, forms in this insulating air cushion, exits through the cooling air outlet openings 10 from the hollow chambers 8 and is then discharged via the gaps 14 in the direction of the combustion chamber.
  • the formation of insulating air cushion within the hollow chambers 8 advantageously relieves the high temperature gradient over the heat shield elements 1.
  • a comparatively small supply of cooling air is required to achieve effective cooling, which has a positive effect on the possible increase in output of a turbine engine in which the heat shield element is used as well as the nitrogen oxide emission of the turbine engine.
  • Weight reduction results in passive safety that can be used to increase hum limits.
  • a light heat shield element 1 is excited only at higher accelerations so far that it lifts off, so that higher acceleration amplitudes can be admitted with the same limit force.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hitzeschildelement (1), das im bestimmungsgemäßen Zustand eines von mehreren Hitzeschildelementen (1) eines Hitzeschildes bildet, die benachbart zueinander an einer Tragstruktur (13) des Hitzeschildes angeordnet sind, wobei das Hitzeschildelement (1) eine der Tragstruktur (13) im bestimmungsgemäßen Zustand zugewandte Innenseite (2), eine der Innenseite (2) gegenüberliegende Außenseite (3) sowie die Innenseite (2) und die Außenseite (3) miteinander verbindende Stirnseiten (4, 5, 6, 7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine zur Innenseite (2) offene Hohlkammer (8) vorgesehen ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Hitzeschild mit mehreren solcher Hitzeschildelemente (1) sowie eine Turbinenmaschine mit wenigstens einem solchen Hitzeschild.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hitzeschildelement, das im bestimmungsgemäßen Zustand eines von mehreren Hitzeschildelementen eines Hitzeschildes bildet, die benachbart zueinander an einer Tragstruktur des Hitzeschildes angeordnet sind, wobei das Hitzeschildelement eine der Tragstruktur im bestimmungsgemäßen Zustand zugewandte Innenseite, eine der Innenseite gegenüberliegende Außenseite sowie die Innenseite und die Außenseite miteinander verbindende Stirnseiten aufweist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Hitzeschild mit mehreren solcher Hitzeschildelemente sowie eine Turbinenmaschine mit wenigstens einem solchen Hitzeschild.
  • Hitzeschilde dienen dazu, Maschinenbereiche thermisch abzuschirmen, die sehr hohen Betriebstemperaturen im Bereich zwischen 1.000 und 1.600°C ausgesetzt sind. So werden diese beispielsweise zur Brennkammerabschirmung von Gasturbinen und Turbinentriebwerken eingesetzt. Sie umfassen mehrere Hitzeschildelemente, die meist einteilig aus keramischem Stein hergestellt und benachbart zueinander an einer Tragstruktur angeordnet sind, wobei zwischen den einzelnen Hitzeschildelementen jeweils ein ausreichend dimensionierter Spalt belassen wird, um während des Betriebs thermische Ausdehnungen der Hitzeschildelemente kompensieren zu können. Durch diese Spalte kann während des Betriebs allerdings heißes Verbrennungsgas in Richtung der Tragstruktur strömen und an dieser sowie an den metallischen Halterungen, mit denen die Hitzeschildelemente an der Tragstruktur befestigt sind, Beschädigungen hervorrufen. Solche Beschädigungen können die Funktion des Hitzeschilds beeinträchtigen und damit zum Überhitzen und Versagen von Maschinenkomponenten führen.
  • Um ein Strömen von heißen Verbrennungsgasen durch besagte Spalte zu verhindern, ist es bekannt, Kühlluft über Kühlkanäle in die Spalte in Richtung der Brennkammer zu leiten, die auf ihrem Weg auch die besagten Halterungen umströmt und kühlt. Ferner ist es bekannt, Befestigungsschrauben der Halterungen mit Kühlkanälen zu versehen, die von der Kühlluft durchströmt werden und die Halterungen kühlen.
  • Eine solche Kühlluftzugabe hat sich dahingehend bewährt, dass bekannten Schadensbildern effektiv entgegengewirkt werden kann, wie beispielsweise Verzunderungen der Halterungen oder einer Spalterosion. Ein Nachteil besteht allerdings darin, dass die zusätzliche Kühlluftzugabe Leistungssteigerungen der Turbinenmaschine entgegenwirkt. Auch wird die Stickoxidemission durch zusätzliche Kühlluftzugabe negativ beeinflusst. Es ist daher wünschenswert, die zur Bekämpfung der Schadensbilder erforderliche Kühlluftzugabe zu reduzieren.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Hitzeschildelement, ein mehrere Hitzeschildelemente aufweisendes Hitzeschild sowie eine Turbinenmaschine mit zumindest einem solchen Hitzeschild zu schaffen, die einen alternativen Aufbau aufweisen.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Hitzeschild der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass zumindest eine zur Innenseite offene Hohlkammer vorgesehen ist. Während des Betriebs wird die Hohlkammer von der Kühlluft durchströmt, was zur Bildung eines isolierenden Luftpolsters innerhalb der Hohlkammer führt, das den hohen Temperaturgradienten über den Hitzeschildelementen entlastet. Vor diesem Hintergrund ist zur Erzielung einer effektiven Kühlung nur eine vergleichsweise geringe Kühlluftzugabe erforderlich, was sich positiv auf die mögliche Leistungssteigerung einer Turbinenmaschine auswirkt, in der das Hitzeschildelement verwendet wird, ebenso wie auf die Stickoxidemission der Turbinenmaschine. Ferner gehen mit dem Vorsehen der zumindest einen Hohlkammer eine Materialeinsparung und damit eine Gewichtsreduktion des Hitzeschildelements einher. Durch die Gewichtsreduktion ergibt sich eine passive Sicherheit, die zur Anhebung der Brummgrenzwerte genutzt werden kann. Ein leichtes Hitzeschildelement wird erst bei höheren Beschleunigungen soweit angeregt, dass es abhebt, was es zur Vermeidung von Beschädigungen an dem Hitzeschildelement grundsätzlich zu vermeiden gilt, so dass bei gleicher Grenzkraft höhere Beschleunigungsamplituden zugelassen werden können.
  • Vorteilhaft nimmt die zumindest eine Hohlkammer wenigstens 40% des Gesamtvolumens des Hitzeschildelements ein, insbesondere zwischen 50 und 80% des Gesamtvolumens eines Hitzeschildelements, wobei das Gesamtvolumen des Hitzeschildelements vorliegend dem Gesamtvolumen eines massiv bzw. als Vollkörper ausgebildeten Hitzeschildelements entspricht. Mit derart großen Hohlkammern wurden besonders gute Ergebnisse erzielt.
  • Bevorzugt ist innerhalb der Hohlkammer zumindest eine Stützrippe vorgesehen, die zur Versteifung des Hitzeschildelements dient.
  • Vorteilhaft sind mehrere Stützrippen entlang des Umfangs der zumindest einen Hohlkammer verteilt angeordnet, wodurch ein besonders stabiler Aufbau erzielt wird.
  • Bevorzugt ist zumindest eine sich durch eine Stirnseite erstreckende Kühlluftauslassöffnung vorgesehen, durch welche die Kühlluft aus der Hohlkammer entweichen kann.
  • Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die zumindest eine Kühlluftauslassöffnung in Form einer Nut ausgebildet, die dahingehend von Vorteil ist, dass sie sich einfach und preiswert herstellen lässt.
  • Bevorzugt sind über den Umfang des Hitzeschildelements verteilt mehrere Kühlluftauslassöffnungen vorgesehen, so dass eine gute Zirkulation der Kühlluft gewährleistet ist.
  • Das Hitzeschildelement ist aus Gründen der Temperaturbeständigkeit vorteilhaft aus keramischem Stein hergestellt.
  • Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ferner ein Hitzeschild mit mehreren erfindungsgemäßen Hitzeschildelementen.
  • Darüber hinaus schafft die vorliegende Erfindung eine Turbomaschine mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Hitzeschild.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Hitzeschilds gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist
    • Figur 1
    eine perspektivische Unteransicht eines Hitzeschildelementes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
    Figur 2
    eine perspektivische Draufsicht des in Figur 1 dargestellten Hitzeschildelementes; und
    Figur 3
    eine schematische geschnittene Teilansicht eines Hitzeschilds gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der mehrere der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Hitzeschildelemente aufweist.
  • Die Figuren 1 und 2 zeigen ein einteilig aus keramischem Stein hergestelltes Hitzeschildelement 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das im bestimmungsgemäßen Zustand eines von mehreren Hitzeschildelementen eines Hitzeschildes bildet, die benachbart zueinander an einer Tragstruktur des Hitzeschildes angeordnet sind, wie es nachfolgend noch näher unter Bezugnahme auf Figur 3 erläutert wird. Das Hitzeschildelement 1 umfasst eine der Tragstruktur im bestimmungsgemäßen Zustand zugewandte Innenseite 2, eine der Innenseite 2 gegenüberliegende Außenseite 3 sowie die Innenseite 2 und die Außenseite 3 miteinander verbindende Stirnseiten 4, 5, 6 und 7. Ferner weist das Hitzeschildelement 1 eine zur Innenseite 2 offene Hohlkammer 8 auf, die vorliegend etwa 60% des Gesamtvolumens des Hitzeschildelements 1 einnimmt. Zur Erhöhung der Festigkeit des Hitzeschildelementes 1 sind innerhalb der Hohlkammer 8 mehrere Stützrippen vorgesehen, die im Wesentlichen gleichmäßig entlang des Umfangs der Hohlkammer 8 verteilt angeordnet sind und sich zwischen den die Hohlkammer 8 definierenden Wänden erstrecken. Durch jede der Stirnseiten 4, 5, 6 und 7 erstrecken sich mehrere Kühlluftauslassöffnungen 10, die jeweils in Form einer Nut ausgebildet und ebenfalls gleichmäßig über den Umfang des Hitzeschildelements 1 verteilt angeordnet sind. An den Endbereichen der Stirnseiten 4 und 6 sind von außen zugängliche Taschen 11 vorgesehen, die zur Aufnahme von jeweils mit einer Druckverteilerscheibe versehenen Befestigungsschrauben dienen, mit denen das Hitzeschildelement 1 im bestimmungsgemäßen Zustand an einer Tragstruktur eines Hitzeschilds befestigt wird. Ausgehend von der Außenseite 3 sind jeweils in die Taschen 11 mündende Durchgangsöffnungen 12 eingebracht, durch welche beispielsweise ein Inbusschlüssel zum Festziehen und Lösen besagter Befestigungsschrauben eingeführt werden kann.
  • Figur 3 zeigt zwei Hitzeschildelemente 1, die unter Verwendung von Befestigungsschrauben an einer Tragstruktur 13 eines Hitzeschilds befestigt sind, wie beispielsweise an der Tragstruktur eines Hitzeschildes einer Brennkammer einer Gasturbine. Die Befestigung von Hitzeschildelementen an einer Tragstruktur mittels Befestigungsschrauben ist dem Fachmann hinlänglich bekannt, weshalb in Figur 2 der Einfachheit halber auf eine Darstellung verzichtet wurde. Kühlluftbohrungen, die sich durch die Tragstruktur 13 erstrecken, Zwischen benachbarten Hitzeschildelementen 1 ist jeweils ein Spalt 14 belassen, dessen Abmessungen derart gewählt sind, dass thermische Ausdehnungen der Hitzeschildelemente 1 während des Betriebs kompensiert werden können.
  • Während des Betriebs wird durch eine Vielzahl von nicht näher dargestellten Kühlluftbohrungen, die sich durch die Tragstruktur 13 erstrecken, Kühlluft in die Hohlkammern 8 der Hitzeschildelemente 1 eingeleitet. Die Kühlluft zirkuliert innerhalb der Hohlkammern 8, bildet in diesen isolierende Luftpolster, tritt durch die Kühlluftauslassöffnungen 10 aus den Hohlkammern 8 aus und wird dann über die Spalte 14 in Richtung der Brennkammer abgeführt.
  • Die Bildung isolierender Luftpolster innerhalb der Hohlkammern 8 entlastet vorteilhaft den hohen Temperaturgradienten über den Hitzeschildelementen 1. Vor diesem Hintergrund ist zur Erzielung einer effektiven Kühlung nur eine vergleichsweise geringe Kühlluftzugabe erforderlich, was sich positiv auf die mögliche Leistungssteigerung einer Turbinenmaschine auswirkt, in der das Hitzeschildelement verwendet wird, ebenso wie auf die Stickoxidemission der Turbinenmaschine. Ferner gehen mit dem Vorsehen der Hohlkammern 8 eine Materialeinsparung und damit eine Gewichtsreduktion der Hitzeschildelemente 1 einher. Durch die Gewichtsreduktion ergibt sich eine passive Sicherheit, die zur Anhebung der Brummgrenzwerte genutzt werden kann. Ein leichtes Hitzeschildelement 1 wird erst bei höheren Beschleunigungen soweit angeregt, dass es abhebt, so dass bei gleicher Grenzkraft höhere Beschleunigungsamplituden zugelassen werden können.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (9)

  1. Hitzeschildelement (1), das im bestimmungsgemäßen Zustand eines von mehreren Hitzeschildelementen (1) eines Hitzeschildes bildet, die benachbart zueinander an einer Tragstruktur (13) des Hitzeschildes angeordnet sind, wobei das Hitzeschildelement (1) eine der Tragstruktur (13) im bestimmungsgemäßen Zustand zugewandte Innenseite (2), eine der Innenseite (2) gegenüberliegende Außenseite (3) sowie die Innenseite (2) und die Außenseite (3) miteinander verbindende Stirnseiten (4, 5, 6, 7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine zur Innenseite (2) offene Hohlkammer (8) vorgesehen ist.
  2. Hitzeschildelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Hohlkammer (8) wenigstens 40% des Gesamtvolumens des Hitzeschildelements (1) einnimmt, insbesondere zwischen 50 und 80% des Gesamtvolumens des Hitzeschildelements (1).
  3. Hitzeschildelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Hohlkammer (8) zumindest eine Stützrippe (9) vorgesehen ist.
  4. Hitzeschildelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine sich durch eine Stirnseite (4, 5, 6, 7) erstreckende Kühlluftauslassöffnung (10) vorgesehen ist.
  5. Hitzeschildelement (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Kühlluftauslassöffnung (10) in Form einer Nut ausgebildet ist.
  6. Hitzeschildelement (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass über den Umfang des Hitzeschildelementes (1) verteilt mehrere Kühlluftauslassöffnungen vorgesehen (10) sind.
  7. Hitzeschildelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses aus keramischem Stein hergestellt ist.
  8. Hitzeschild mit mehreren Hitzeschildelementen (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  9. Turbinenmaschine mit wenigstens einem Hitzeschild nach Anspruch 8.
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