EP3132202A1 - Umführungs-hitzeschildelement - Google Patents

Umführungs-hitzeschildelement

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EP3132202A1
EP3132202A1 EP16713409.7A EP16713409A EP3132202A1 EP 3132202 A1 EP3132202 A1 EP 3132202A1 EP 16713409 A EP16713409 A EP 16713409A EP 3132202 A1 EP3132202 A1 EP 3132202A1
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EP
European Patent Office
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heat shield
wall
combustion chamber
shield element
edge
Prior art date
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EP16713409.7A
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English (en)
French (fr)
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EP3132202B1 (de
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Andreas Böttcher
Andre Kluge
Tobias Krieger
Kaspar Matthias MALECHA
Youssef MOUJANE
Kai-Uwe Schildmacher
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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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP3132202A1 publication Critical patent/EP3132202A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3132202B1 publication Critical patent/EP3132202B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/03043—Convection cooled combustion chamber walls with means for guiding the cooling air flow

Definitions

  • the invention relates to a heat shield element, in particular for lining a combustion chamber.
  • the invention further relates to an annular combustion chamber and a gas turbine plant.
  • the operator of the gas turbine can be forced to switch off his gas turbine if it is not possible for him to further reduce the output of his gas turbine without simultaneously exceeding the carbon monoxide emission limit.
  • bypass air into the combustion chamber ie from compressor discharge air, which is diverted in front of the burner and guided into the combustion chamber behind the combustion zone, remedies this problem.
  • the walls of high tempera ⁇ turgasreaktoren for example, operated by pressure gas turbine combustors, a suitable shielding of their support structure against attack of the hot gas. Ceramic materials are particularly suited to build a support structure shielding the heat shield due to its high temperature resistance ⁇ ness, corrosion resistance and its low thermal conductivity ⁇ compared to metallic materials.
  • Such a heat shield is ⁇ example, in EP 0558540 Bl and described may have to be modified accordingly in the ⁇ mentation as a bypass (bypass) of the compressor discharge air.
  • the heat shield element has a wall with a combustion chamber inner side facing the hot side and a cold side respectivelylie ⁇ restrictive.
  • a circumferential edge extends beyond the cold side on the back. It is provided that in the peripheral edge a plurality of bores are introduced, can flow through the cooling air into the combustion chamber. Furthermore, it is provided that at a distance from the wall, a second partial wall is present, which extends between two opposite edge portions. A downstream gelege- ner edge portion of the circumferential edge extends ever ⁇ but only to the part of the wall and not beyond.
  • a partition wall is arranged, which extends from the partial wall to the rear height of the two adjoining edge portions. In this way, it will continue to he ⁇ enables to guide a bypass air flow to the wall part, which then can leak between the opposing edge portions downstream.
  • a disadvantage of the previous solution is that for the advantageous inflow of the bypass air, an offset in the heat shield elements is necessary or a higher pressure loss must be accepted by a deflection in a subsequent gap in purchasing.
  • An object of the invention is therefore to provide a Hitzeschildele ⁇ ment, which allows the supply of bypass air, at the same time high life and the possible easy and inexpensive to manufacture and assemble.
  • Another object of the invention is to specify a ring combustion chamber ⁇ with a corresponding heat shield.
  • the generic heat shield element is used in particular for use as a lining of a combustion chamber.
  • the heat shield element initially comprises a wall which has a hot side which can be acted upon by a hot medium and a cold side which is opposite to the hot side.
  • the heat shield element comprises an edge adjacent to the wall and surrounding the wall. In this case, the edge extends from the hot side pointing away raised above the cold side.
  • the edge can be divided into two opposing first edge portions.
  • At one end of the wall is a second edge portion, which connects the two first edge portions with each other and extends substantially transverse to the first edge portions.
  • a third Randab ⁇ section Opposite to the second edge portion is a third Randab ⁇ section , which also connects the two first edge portions with ⁇ each other and extends substantially transverse to the first edge portions.
  • the wall has at least one opening gap, whereby the wall in a first wall portion on one side of the opening gap and a second wall portion the other side of the opening gap is divided.
  • Wei ⁇ terhin is provided that adjoins the second wall portion adjacent to the opening gap from the hot side wegwei ⁇ send partition.
  • the second wall section on the cold side is surrounded by sections of the two first edge sections, the second edge section and the partition wall arranged opposite the second edge section.
  • the first wall portion is also surrounded by sections voltage splitting the first two edge portions, the third edge portion and the opposite to the third edge portion disposed adjacent to the partition wall ⁇ Publ.
  • the In ⁇ nere of the heat shield element is divided into two.
  • the first chamber acts as an extension of the bypass channel.
  • the heat shield element integrates homogeneously into the bypass. Characterized in that the gap opening is directly adjacent to the partition wall in particular in ⁇ sondere a small distance between a bypass channel and the ⁇ ffungsspalt a homogeneous flow profile with a low pressure drop across the opening gap is favored.
  • the opening gap along the entire partition between the two opposing first Randabschnit- th extends, so that a uniform bypass flow with suffi ⁇ chendem mass flow can be achieved.
  • the shape or the course of the peripheral edge and the partition on the cold side is initially irrelevant. To that extent, the edge portions and the partition wall can to each other and / or within the portions of bends or cracks and thus have a different height on the cold side on ⁇ . However, it is advantageous if the circulating Edge and the partition extends to a ent removed from the cold side ⁇ located free end.
  • the free end ent ⁇ a speaks in this case from the hot side or from the Kaltsei ⁇ te spaced surface (without kinks or jumps).
  • the free end is planar.
  • the planar shape of the Hitzeschildele ⁇ ment on the back facing away from the hot side be ⁇ favorable both the assembly and the production.
  • the partition wall is inclined towards the opening gap.
  • the partition wall is located over the opening gap in sections.
  • the partition wall has a plurality of holes ⁇ whose axes are directed to the surface of the cold side of the ers ⁇ th wall portion. If the second chamber is designed comparatively flat, there can be a conventional, large-scale impact cooling.
  • the ge ⁇ for used cooling air causes in addition to the blocking of the open gap in the absence of bypass current. For this purpose, the cooling air can flow from the second chamber through the holes in the partition into the first chamber.
  • a fastening device is arranged, which advantageously extends perpendicularly pointing away from the wall of the hot side.
  • the heat shield element is made of metal.
  • a hit ⁇ zeschildelement is realized as a cast component.
  • a generic annular combustion chamber comprising a reliedura ⁇ le and a number of heat shield elements, which are releasably secured to the combustion chamber interior facing inside of the outer shell.
  • the annular combustion chamber comprises a so-called Bypassplenum, extending over the circumference of the outer shell annular channel through which an air bypass flow is passed in the bypass mode.
  • the annular combustion channel can be supplied through openings of the bypass air stream, the annular channel having a side facing the combustion chamber inside the annular gap through which the bypass air flow can be guided to the combustion chamber interior.
  • the annular channel and the annular gap can be performed circumferentially. So ⁇ far a reasonably uniform distribution of the bypass air flow is ensured over the circumference, the annular channel and / or the annular gap can also be interrupted several times and thus consist of individual segment sections.
  • a novel annular combustion chamber is created by the use of a plurality of the previously described inventive and / or advantageous heat shield elements.
  • the heat shield ⁇ elements are arranged such that the first chambers come to rest on the annular gap. In this respect are on one side of the annular gap, the partition and on the other side of the annular gap of the third edge portion. This allows a particularly advantageous flow of the bypass air flow out of the annular gap through the first chamber and through the opening gap in the individual heat shield elements.
  • the outer shell has openings for the impact cooling of the heat shield elements.
  • openings for the impingement cooling of the first wall section are arranged in the first chamber in the annular channel of the outer shell and in these openings tubular Chen are arranged, which extend to the hot side over the outer shell also extend into the first chambers.
  • ⁇ cooling air can be selectively directed to the first wall portion of the first chamber.
  • the heat shield element rests at least in sections with the free end on the outer shell. Due to the support, a transverse flow between the free end and the outer shell is largely prevented. Obviously, it is particularly advantageous if the support is provided on the peripheral edge and along the partition wall on the outer shell.
  • a sealing means between the free end of the heat shield element and the outer shell is seen ⁇ before.
  • the sealant is not present in sections, but circumferentially.
  • the sealing means is made of an elastic material, so that despite slight deviation in the shape of the free end and / or the outer shell and in vibrations a reliable tightness is achieved.
  • first variant and the second variant is combined for sealing by sections an immediate support of the free end is provided on the outer shell and sections, in ⁇ particular in areas with higher pressure difference, a sealant between the free end and the outer shell before ⁇ handen.
  • the object directed to a gas turbine plant is achieved by a gas turbine plant having an annular combustion chamber according to the invention.
  • FIG. 1 shows the cold side of a heat shield element according to FIG.
  • FIG. 2 shows the cold side of a heat shield element according to FIG.
  • FIG. 4 shows the hot side of a heat shield element according to the invention
  • FIG. 5 shows the bypass concept
  • FIG. 6 shows the cooling air management
  • FIG. 7 shows a detail of the annular combustion chamber with heat shield elements according to the invention.
  • FIG. 8 shows a representation of a gas turbine according to the invention in a longitudinal section according to an embodiment.
  • FIGS 1 to 4 show schematically and by way of example a metallic heat shield element 1 according to the invention, with egg ⁇ ner wall 3, which one with a hot medium
  • FIGS. 1 to 3 show the cold side 5 and FIG. 4 shows the hot side 4.
  • Adjacent to the wall 3 is an encircling edge 6 which extends beyond the plane of the cold side 5 and has a free end 7 remote from the cold side 5.
  • the two first opposing edge sections 56 and a second edge section 57 extending transversely to the first edge sections 56 and a third edge section 58 opposite thereto are gripped
  • Partition 8 extends from the cold side 5 of the wall 3 to the height of the free end 7 between two opposite, formed by the edge 6 sides 9, so that on the cold side 5 of the wall 3 two separate first and two ⁇ te chambers 10, 11 are formed and the first chamber 10 egg NEN opening gap 12 is provided from the cold side to the hot side 5 4 on ⁇ which connects directly to the partition 8 and extending along the entire partition wall. 8
  • the wall 3 is subdivided into two sections, namely once into a first wall section 51 and a second wall section 52.
  • the partition 8 is inclined to the opening gap 12 and has a plurality of bores 13, whose axes 14 are directed to the surface of the cold side 5 in the first chamber 10.
  • a fastening device 15 is arranged, which extends substantially perpendicularly from the wall 3 away.
  • An assembly of the heat shield element 1 takes place in ⁇ example via a connected to the fastening device 15 plate spring package.
  • FIGs 5 and 6 show a section through an annular combustion chamber 2 with a number of heat shield elements 1 according to the invention.
  • the annular combustion chamber 2 of Figure 5 comprises an outer shell 16, a number of heat shield elements 1 according to the invention, which are releasably secured to the inside of the outer shell 16, and a bypass plenum, extending over the circumference of the outer shell 16 annular channel 17 through which in bypass operation, an air bypass flow is passed, with an annular gap 18 to the combustion chamber ⁇ inner 19 out.
  • the heat shield elements 1 are now arranged on ⁇ order that their first chambers 10 at the annular gap 18 to lie come.
  • metallic heat shield elements 1 In addition to the metallic heat shield elements 1 according to the invention comprises the combustion chamber 2 upstream of the metallic heat shield elements 1 more rows of Kerami ⁇ 's heat shield elements 24, of which in the figure 5, only one is indicated, as well as downstream of the metallic heat shield elements 1 according to the invention, a series of further metallic heat shield elements 25, but without opening gaps 12.
  • Figure 6 explains the cooling air management.
  • Bypass air 26 passes from the annular channel 17 into the first chamber 10 of the Hitzeschildele ⁇ elements 1 and passes through opening gaps 12 in the combustion ⁇ chamber interior 19.
  • the outer shell 16 has first openings 20 for the impingement cooling 27 of the heat shield elements 1, in particular for their second chambers 11. Through the bores 13 in the partition wall 8, the air used for baffle 27 of the second chamber 11 can continue to be used to block the opening gap 12 against hot gas from the Brennschinne ⁇ ren 19 (see sealing air 28).
  • tubes 22 are arranged, which extend into the first chambers 10. This arrangement serves for the impingement cooling 29 of the first chambers 10.
  • FIG. 7 shows a section of the annular combustion chamber 2 with heat shield elements 1 according to the invention, ceramic heat shield elements 24 and further metallic heat shield elements 25 in plan view.
  • FIG. 8 shows schematically and exemplarily a ⁇ OF INVENTION dung modern gas turbine system 23 in a longitudinal section.
  • This includes a compressor section 30, a Brennschab- section 31 and a turbine section 32.
  • a shaft 33 he ⁇ extends through all sections of the gas turbine system 23.
  • In the compression section 30 is the shaft 33 with rings of compressor blades 34 and turbine section 32 with Wreaths of turbine blades 35 equipped.
  • Wheels of compressor guide vanes 36 are located between the rotor blade rings in the compressor section 30 and rings of turbine guide vanes 37 in the turbine section 32.
  • the guide vanes extend from the housing 38 of the gas turbine installation 23 substantially in the radial direction to the shaft 33.
  • air 39 is drawn in through an air inlet 40 of the compressor section 30 and compressed by the compressor blades 34.
  • the compressed air is supplied to a burner chamber section 31 arranged in the ⁇ combustion chamber 2, which is configured in the present embodiment as an annular combustion chamber 2.
  • a gaseous or liquid fuel is injected via at least one burner 42.
  • the resulting air-fuel mixture is ignited and burned in the combustion chamber 2.
  • the hot flow path 43 the hot flow
  • the Turbinenleitschaufein 37 serve as nozzles for optimizing the momentum transfer to the blades 35.
  • the induced by the im ⁇ pulse transfer rotation of the shaft 33 is used to drive a consumer, such as an electric generator.
  • the expanded and cooled combustion gases are finally discharged through an outlet 44 from the gas turbine plant 23.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hitzeschildelement (1), insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammer (2), mit einer Wand (3), welche eine mit einem heißen Medium beaufschlagbare Heißseite (4) und eine der Heißseite (4) gegenüberliegende Kaltseite (5) aufweist und mit einem an die Wand (3) angrenzenden, umlaufenden, sich über die Ebene der Kaltseite (5) hinaus erstreckenden Rand (6) mit einem von der Kaltseite (5) entfernt gelegenen freien Ende (7), wobei sich eine Trennwand (8) von der Kaltseite (5) der Wand (3) bis zur Höhe des freien Endes (7) zwischen zwei gegenüberliegenden durch den Rand (6) gebildeten Seiten (9) erstreckt, so dass auf der Kaltseite (5) der Wand (3) zwei voneinander getrennte erste und zweite Kammern (10, 11) gebildet werden und die erste Kammer (10) einen Öffnungsspalt (12) von der Kaltseite (5) zur Heißseite (4) aufweist. Die Erfindung betrifft ferner eine Ringbrennkammer (2) und eine Gasturbinenanlage (23).

Description

Beschreibung
Umführungs-Hitzeschildelement Die Erfindung betrifft ein Hitzeschildelement, insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammer. Die Erfindung betrifft ferner eine Ringbrennkammer sowie eine Gasturbinenanlage.
Im Teillastbetrieb einer Gasturbine fällt die Verbrennungs- temperatur in der Brennkammer ab. Gleichzeitig fällt ebenfalls die für die Kohlenmonoxid-Emissionen relevante Primär- Zonen Temperatur ab. Wenn diese einen Minimalwert unterschreitet werden verstärkt Kohlenmonoxid-Emissionen erzeugt und die Grenze des nutzbaren Kohlenmonoxid-emissionskonformen Teillastbereichs der Gasturbine ist erreicht.
Bei Vorliegen einer gesetzlichen Kohlenmonoxid-Emissions¬ grenze kann der Betreiber der Gasturbine sich gezwungen sehen, seine Gasturbine abzuschalten, wenn es für ihn nicht möglich ist, die Leistung seiner Gasturbine weiter zu reduzieren, ohne gleichzeitig die Kohlenmonoxid-Emissionsgrenze zu überschreiten.
Abhilfe schafft die Einspeisung von Bypass-Luft in die Brenn- kammer, also von Verdichterendluft, welche vor dem Brenner abgezweigt und hinter der Verbrennungszone in die Brennkammer geführt wird. Allerdings erfordern die Wände von Hochtempera¬ turgasreaktoren, beispielsweise von unter Druck betriebenen Gasturbinenbrennkammern, eine geeignete Abschirmung ihrer Tragstruktur gegen einen Angriff des heißen Gases. Keramische Materialien sind aufgrund ihrer hohen Temperaturbeständig¬ keit, Korrosionsbeständigkeit sowie ihrer niedrigen Wärme¬ leitfähigkeit im Vergleich zu metallischen Werkstoffen besonders geeignet, um einen die Tragstruktur abschirmenden Hitze- schild aufzubauen. Ein derartiger Hitzeschild ist beispiels¬ weise in EP 0 558 540 Bl beschrieben und müsste bei der Im¬ plementierung einer Umführung (Bypass) der Verdichterendluft entsprechend modifiziert werden. Das einfache Einbringen von Öffnungen löst das Problem nicht, da der Heißgasstrom innerhalb der Brennkammer die Oberfläche der keramischen Hitzeschilde erhitzt, und die Bypass-Luft an deren Seitenflächen für eine starke Abkühlung sorgt. So entstehen innerhalb der Schilde hohe Temperaturgradienten und damit verbundene Span¬ nungen, die im Betrieb für Risse und Brüche und zum Verlust der Hitzeschilde führen.
Eine Zuführung eines Bypass-Luftstrom soll mit einem Hitze- schildelement gemäß der WO 2013/135702 A2 ermöglicht werden. Hierzu weist das Hitzeschildelement eine Wand mit einer zum Brennkammerinnen weisenden Heißseite und eine gegenüberlie¬ gende Kaltseite auf. Ein umlaufender Rand erstreckt sich rückseitig über die Kaltseite hinaus. Hierbei ist vorgesehen, dass im umlaufenden Rand eine Mehrzahl Bohrungen eingebracht werden, über die Kühlluft in die Brennkammer strömen kann. Weiterhin ist vorgesehen, dass beabstandet zur Wand eine zweite Teilwand vorhanden ist, die sich zwischen zwei gegenüberliegenden Randabschnitten erstreckt. Ein stromab gelege- ner Randabschnitt des umlaufenden Randes erstreckt sich je¬ doch nur bis zur Teilwand und nicht darüber hinaus. Am strom¬ auf gelegenen Ende der Teilwand ungefähr Mittig im Hitze¬ schildelement ist eine Trennwand angeordnet, welche sich von der Teilwand bis zur rückseitigen Höhe der beiden angrenzen- den Randabschnitte erstreckt. Hierdurch wird es weiterhin er¬ möglicht, einen Bypass-Luftstrom auf die Teilwand zu führen, welcher dann stromab zwischen den gegenüberliegenden Randabschnitten austreten kann. Nachteilig bei vorheriger Lösung ist es jedoch, dass zur vorteilhaften Einströmung der Bypassluft ein Versatz in den Hitzeschildelementen notwendig ist oder ein höher Druckverlust durch eine Umlenkung in einem sich anschließenden Spalt in Kauf genommen werden muss.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Hitzeschildele¬ ment bereitzustellen, welches die Zufuhr von Bypassluft erlaubt, bei gleichzeitig hoher Lebensdauer und das möglichst einfach und kostengünstig herzustellen und zu montieren ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer Ring¬ brennkammer mit einem entsprechenden Hitzeschild. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung eine Gasturbinenanlage für den Teillastbetrieb bereitzustellen.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben gelöst durch das Hitze¬ schildelement gemäß Anspruch 1, die Ringbrennkammer gemäß Anspruch 8 und die Gasturbinenanlage gemäß Anspruch 13. Vor- teilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert.
Das gattungsgemäße Hitzeschildelement dient insbesondere zur Verwendung als Auskleidung einer Brennkammer. Hierbei umfasst das Hitzeschildelement zunächst einmal eine Wand, welche eine mit einem heißen Medium beaufschlagbare Heißseite und eine der Heißseite gegenüberliegende Kaltseite aufweist. Weiterhin umfasst das Hitzeschildelement einen an der Wand angrenzenden und die Wand umlaufend umgebenden Rand. Hierbei erstreckt sich der Rand von der Heißseite wegweisend erhaben über die Kaltseite hinaus. Unabhängig von der konkreten Formgebung der Wand betrachtet in einer Draufsicht auf die Heißseite lässt sich der Rand aufteilen in zwei einander gegenüberliegende erste Randabschnitte. An einem Ende der Wand befindet sich ein zweiter Randabschnitt, welcher die beiden ersten Randabschnitte miteinander verbindet und im Wesentlichen quer zu den ersten Randabschnitten verläuft. Gegenüberliegend zum zweiten Randabschnitt befindet sich ein dritter Randab¬ schnitt, welcher ebenso die beiden ersten Randabschnitte mit¬ einander verbindet und im Wesentlichen quer zu den ersten Randabschnitten verläuft.
Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, dass innerhalb des Hitzeschildelements ein Durchbruch geschaffen wird, durch den die Zufuhr von Bypassluft in das Brennkammerinnere ermöglicht wird. Hierzu weist die Wand zumindest einen Öffnungsspalt auf, wodurch die Wand in einen ersten Wandabschnitt auf einer Seite des Öffnungsspaltes und einen zweiten Wandabschnitt auf der anderen Seite des Öffnungsspaltes aufgeteilt wird. Wei¬ terhin ist vorgesehen, dass sich am zweiten Wandabschnitt angrenzend an den Öffnungsspalt eine von der Heißseite wegwei¬ sende Trennwand anschließt. Insofern wird der zweite Wandab- schnitt auf der Kaltseite umgeben von abschnittsweise den beiden ersten Randabschnitten, dem zweiten Randabschnitt und der gegenüberliegend zum zweiten Randabschnitt angeordneten Trennwand. Der erste Wandabschnitt hingegen ist umgeben von ebenso abschnittsweise den beiden ersten Randabschnitten, dem dritten Randabschnitt und dem gegenüberliegend zum dritten Randabschnitt angrenzend an die Trennwand angeordneten Öff¬ nungsspalt .
Hierdurch werden auf der Kaltseite der Wand zwei voneinander getrennte erste und zweite Kammern gebildet, wobei die erste Kammer einen Öffnungsspalt von der Kaltseite zur Heißseite aufweist. Durch ein solches Doppelkammerkonzept wird das In¬ nere des Hitzeschildelementes zweigeteilt. Die erste Kammer fungiert als Erweiterung des Bypass-Kanals . Das Hitzeschild- element fügt sich homogen in den Bypass ein. Dadurch, dass der Öffnungsspalt direkt an der Trennwand angrenzt bei insbe¬ sondere einer geringen Distanz zwischen einem Bypass-Kanal und dem Öffungsspalt wird ein homogener Strömungsverlauf mit geringem Druckverlust über dem Öffnungsspalt begünstigt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der Öffnungsspalt entlang der ganzen Trennwand zwischen den beiden gegenüberliegenden ersten Randabschnit- ten, so dass eine gleichmäßige Bypass-Strömung mit ausrei¬ chendem Massenstrom erzielt werden kann.
Die Form bzw. der Verlauf des umlaufenden Randes sowie der Trennwand auf der Kaltseite ist zunächst unerheblich. Inso- fern können die Randabschnitte und die Trennwand zueinander und/oder innerhalb der Abschnitte Knicke oder Sprünge und folglich eine unterschiedliche Höhe über die Kaltseite auf¬ weisen. Vorteilhaft ist es jedoch wenn sich der umlaufende Rand und die Trennwand bis zu einem von der Kaltseite ent¬ fernt gelegenen freien Ende erstreckt. Das freie Ende ent¬ spricht hierbei einer von der Heißseite bzw. von der Kaltsei¬ te beabstandeten Fläche (ohne Knicke oder Sprünge) .
Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn das freie Ende planar ausgeführt ist. Die ebene Gestalt des Hitzeschildele¬ ments auf der von der Heißseite wegweisenden Rückseite be¬ günstigt sowohl die Montage als auch die Herstellung.
In noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Trennwand zum Öffnungsspalt hin geneigt. Somit liegt die Trennwand bei Betrachtung des Hitzeschildelements von der Heißseite abschnittsweise über dem Öffnungsspalt. Somit lässt sich ein neutraler Ausströmwinkel des Bypass-Stroms beim
Eintritt in die Brennkammer realisieren, da die Bypass-Luft ansonsten gegen das Verbrennungsgas anströmen muss. Außerdem wäre der Spalt sonst zur Flamme hin geöffnet und würde den Einzug von Heißgas provozieren.
Es ist vorteilhaft, wenn die Trennwand mehrere Bohrungen auf¬ weist, deren Achsen auf die Oberfläche der Kaltseite des ers¬ ten Wandabschnitts gerichtet sind. Wenn die zweite Kammer vergleichsweise flach gestaltet ist, kann dort eine konventi- onelle, großflächige Prall-Kühlung erfolgen. Die dafür ge¬ nutzte Kühlluft bewirkt bei fehlendem Bypass-Strom zusätzlich zur Sperrung des Öffnungsspalts. Hierzu kann die Kühlluft von der zweiten Kammer durch die Bohrungen in der Trennwand in die erste Kammer strömen.
Es ist zweckmäßig, wenn in der zweiten Kammer ausgehend vom zweiten Wandabschnitt eine Befestigungsvorrichtung angeordnet ist, welche sich vorteilhaft senkrecht von der Wand von der Heißseite wegweisend erstreckt.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn das Hitzeschildelement aus Metall hergestellt ist. Typischerweise wird ein solches Hit¬ zeschildelement als Gußbauteil realisiert. Eine gattungsgemäße Ringbrennkammer umfassend eine Außenscha¬ le und eine Anzahl von Hitzeschildelementen, welche an der zum Brennkammerinneren weisenden Innenseite der Außenschale lösbar befestigt sind. Weiterhin umfasst die Ringbrennkammer einen auch als Bypassplenum bezeichneten, sich über den Umfang der Außenschale erstreckenden Ringkanal, durch den im Bypass-Betrieb ein Luft-Bypassstrom geleitet wird. Dem Ring¬ kanal kann über Öffnungen der Bypass-Luftstrom zugeführt wer- den, wobei der Ringkanal einen zum Brennkammerinneren weisenden Ringspalt aufweist, durch den der Bypass-Luftstrom zum Brennkammerinneren geführt werden kann. Hierbei können der Ringkanal sowie der Ringspalt umlaufend ausgeführt sein. So¬ fern eine einigermaßen gleichmäßige Verteilung des Bypass- Luftstrom über den Umfang gewährleistet wird, kann der Ringkanal und/oder der Ringspalt auch mehrfach unterbrochen sein und insofern aus einzelnen Segmentabschnitten bestehen.
Eine neuartige Ringbrennkammer wird geschaffen durch die Ver- wendung einer Mehrzahl der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen und/oder hierzu vorteilhaften Hitzeschildelemente.
Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Hitzeschild¬ elemente derartig angeordnet sind, dass die ersten Kammern am Ringspalt zu liegen kommen. Insofern befinden sich auf einer Seite des Ringspalts die Trennwand und auf der anderen Seite des Ringspalts der dritte Randabschnitt. Dieses ermöglicht eine besonders vorteilhafte Strömung des Bypass-Luftstroms aus dem Ringspalt durch die erste Kammer und durch den Öff- nungsspalt in den einzelnen Hitzeschildelementen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Außenschale Öffnungen für die Prallkühlung der Hitzeschildelemente auf.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn Öffnungen für die Prallkühlung des ersten Wandabschnitts bei der erste Kammer im Ringkanal der Außenschale angeordnet sind und in diesen Öffnungen Röhr- chen angeordnet sind, die sich zur Heißseite weisend über die Außenschale hinaus bis in die ersten Kammern erstrecken. Da¬ durch kann Kühlluft gezielt an den ersten Wandabschnitt der ersten Kammer geleitet werden. Somit wird dieses Areal sowohl konvektiv, als auch über Prall-Kühlung gekühlt.
Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn eine Querströ¬ mung vom Bypass-Luftstrom und/oder der Kühlluft vermieden wird. Hierzu ist in einer ersten Variante vorgesehen, dass das Hitzeschildelement zumindest abschnittsweise mit dem freien Ende auf der Außenschale aufliegt. Durch die Auflage wird eine Querströmung zwischen dem freien Ende und der Außenschale weitgehend verhindert. Naheliegend ist es besonders vorteilhaft, wenn die Auflage am umlaufenden Rand sowie ent- lang der Trennwand auf der Außenschale gegeben ist.
In einer zweiten Variante wird ein Dichtmittel zwischen dem freien Ende des Hitzeschildelements und der Außenschale vor¬ gesehen. Gleichfalls ist es vorteilhaft, wenn das Dichtmittel nicht zur abschnittsweise, sondern umlaufend vorhanden ist. Hierbei kann weiterhin vorteilhaft vorgesehen sein, dass das Dichtmittel aus einem elastischen Material hergestellt ist, so dass trotz geringfügiger Abweichung in der Formgebung des freien Endes und/oder der Außenschale sowie bei Vibrationen eine zuverlässige Dichtigkeit erzielt wird. Zur sicheren Fi¬ xierung des Dichtmittels ist dieses im umlaufenden Rand bzw. in der Trennwand eingebaut und steht über das freie Ende hin¬ aus . Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die erste Variante und die zweite Variante zur Abdichtung kombiniert wird, indem abschnittsweise eine unmittelbare Auflage des freien Endes auf der Außenschale vorgesehen ist und abschnittsweise, ins¬ besondere in Bereichen mit höherem Druckunterschied, ein Dichtmittel zwischen dem freien Ende und der Außenschale vor¬ handen ist. Die auf eine Gasturbinenanlage gerichtete Aufgabe wird gelöst durch eine Gasturbinenanlage mit einer erfindungsgemäßen Ringbrennkammer . Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
Figur 1 die Kaltseite eines Hitzeschildelements nach der
Erfindung mit einer zweiten Kammer im Vordergrund,
Figur 2 die Kaltseite eines Hitzeschildelements nach der
Erfindung mit einer zweiten Kammer im Hintergrund,
Figur 3 ein Hitzeschildelement im Schnitt,
Figur 4 die Heißseite eines Hitzeschildelements nach der Erfindung,
Figur 5 das Bypass-Konzept ,
Figur 6 das Kühlluftmanagement,
Figur 7 ein Ausschnitt aus der Ringbrennkammer mit Hitzeschildelementen nach der Erfindung und
Figur 8 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Gasturbine in einem Längsschnitt gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die Figuren 1 bis 4 zeigen schematisch und beispielhaft ein metallisches Hitzeschildelement 1 nach der Erfindung, mit ei¬ ner Wand 3, welche eine mit einem heißen Medium
beaufschlagbare Heißseite 4 und eine der Heißseite 4 gegen¬ überliegende Kaltseite 5 aufweist. Die Figuren 1 bis 3 zeigen die Kaltseite 5 und die Figur 4 zeigt die Heißseite 4.
An die Wand 3 grenzt ein umlaufender, sich über die Ebene der Kaltseite 5 hinaus erstreckender Rand 6 mit einem von der Kaltseite 5 entfernt gelegenen freien Ende 7. Der Rand um- fasst hierbei die beiden ersten gegenüberliegenden Randabschnitt 56 sowie einen sich quer zu den ersten Randabschnit¬ ten 56 erstreckenden zweiten Randabschnitt 57 und einen hierzu 57 gegenüberliegenden dritten Randabschnitt 58. Eine
Trennwand 8 erstreckt sich von der Kaltseite 5 der Wand 3 bis zur Höhe des freien Endes 7 zwischen zwei gegenüberliegenden, durch den Rand 6 gebildeten Seiten 9, so dass auf der Kaltseite 5 der Wand 3 zwei voneinander getrennte erste und zwei¬ te Kammern 10, 11 gebildet werden und die erste Kammer 10 ei- nen Öffnungsspalt 12 von der Kaltseite 5 zur Heißseite 4 auf¬ weist, der sich direkt an die Trennwand 8 anschließt und sich entlang der ganzen Trennwand 8 erstreckt. Hierdurch wird die Wand 3 in zwei Abschnitte und zwar einmal in einen ersten Wandabschnitt 51 und einen zweiten Wandabschnitt 52 unter- teilt. Die Trennwand 8 ist zum Öffnungsspalt 12 hin geneigt und weist mehrere Bohrungen 13 auf, deren Achsen 14 auf die Oberfläche der Kaltseite 5 in der ersten Kammer 10 gerichtet sind . In den Figuren 1 bis 3 ist ferner gezeigt, dass in der zwei¬ ten Kammer 11 eine Befestigungsvorrichtung 15 angeordnet ist, welche sich im Wesentlichen senkrecht von der Wand 3 weg erstreckt. Eine Montage des Hitzeschildelements 1 erfolgt bei¬ spielsweise über ein mit der Befestigungsvorrichtung 15 ver- bundenes Tellerfederpaket.
Die Figuren 5 und 6 zeigen einen Schnitt durch eine Ringbrennkammer 2 mit einer Anzahl von Hitzeschildelementen 1 gemäß der Erfindung. Anhand von Figur 5 soll das Bypass-Konzept erläutert werden. Die Ringbrennkammer 2 der Figur 5 umfasst eine Außenschale 16, eine Anzahl von Hitzeschildelementen 1 gemäß der Erfindung, welche an der Innenseite der Außenschale 16 lösbar befestigt sind, und einen als Bypassplenum bezeichneten, sich über den Umfang der Außenschale 16 erstreckenden Ringkanal 17, durch den im Bypass-Betrieb ein Luft-Bypass- strom geleitet wird, mit einem Ringspalt 18 zum Brennkammer¬ inneren 19 hin. Die Hitzeschildelemente 1 sind nun derart an¬ geordnet, dass ihre ersten Kammern 10 am Ringspalt 18 zu lie- gen kommen. Neben den metallischen Hitzeschildelementen 1 nach der Erfindung umfasst die Brennkammer 2 stromauf der metallischen Hitzeschildelemente 1 mehrere Reihen von kerami¬ schen Hitzeschildelementen 24, von denen in der Figur 5 nur eine angedeutet ist, sowie stromab der metallischen Hitze¬ schildelemente 1 gemäß der Erfindung eine Reihe von weiteren metallischen Hitzeschildelementen 25, aber ohne Öffnungsspalte 12. Figur 6 erklärt das Kühlluftmanagement. Bypassluft 26 tritt vom Ringkanal 17 in die erste Kammer 10 der Hitzeschildele¬ mente 1 ein und gelangt über Öffnungsspalte 12 in das Brenn¬ kammerinnere 19. Die Außenschale 16 weist erste Öffnungen 20 für die Prallkühlung 27 der Hitzeschildelemente 1 auf, insbe- sondere für deren zweite Kammern 11. Durch die Bohrungen 13 in der Trennwand 8 kann die zur Prallkühlung 27 der zweiten Kammer 11 genutzte Luft weiterhin dazu verwendet werden, den Öffnungsspalt 12 gegen Heißgaseinzug aus dem Brennkammerinne¬ ren 19 zu sperren (s. Sperrluft 28) .
Ferner sind zweite Öffnungen 21 für die Prallkühlung 29 der ersten Kammern 10 im Ringkanal 17 der Außenschale 16 vorgese¬ hen. In diesen zweiten Öffnungen 21 sind Röhrchen 22 angeordnet, die sich bis in die ersten Kammern 10 erstrecken. Diese Anordnung dient der Prallkühlung 29 der ersten Kammern 10.
Figur 7 zeigt einen Ausschnitt aus der Ringbrennkammer 2 mit Hitzeschildelementen 1 nach der Erfindung, keramischen Hitzeschildelementen 24 und weiteren metallischen Hitzeschildele- menten 25 in der Draufsicht.
Die Figur 8 zeigt schematisch und beispielhaft eine erfin¬ dungsgemäße Gasturbinenanlage 23 in einem Längsschnitt. Diese umfasst einen Verdichterabschnitt 30, einen Brennkammerab- schnitt 31 und einen Turbinenabschnitt 32. Eine Welle 33 er¬ streckt sich durch alle Abschnitte der Gasturbinenanlage 23. Im Verdichterabschnitt 30 ist die Welle 33 mit Kränzen von Verdichterlaufschaufeln 34 und im Turbinenabschnitt 32 mit Kränzen von Turbinenlaufschaufeln 35 ausgestattet. Zwischen den Laufschaufelkränzen befinden sich im Verdichterabschnitt 30 Kränze von Verdichterleitschaufeln 36 und im Turbinenabschnitt 32 Kränze von Turbinenleitschaufein 37. Die Leit- schaufeln erstrecken sich vom Gehäuse 38 der Gasturbinenanlage 23 im Wesentlichen in Radialrichtung zur Welle 33.
Im Betrieb der Gasturbinenanlage 23 wird Luft 39 durch einen Lufteinlass 40 des Verdichterabschnittes 30 eingesaugt und von den Verdichterlaufschaufeln 34 komprimiert. Die komprimierte Luft wird einer im Brennkammerabschnitt 31 angeordne¬ ten Brennkammer 2 zugeleitet, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als eine Ringbrennkammer 2 ausgestaltet ist. Eine Anzahl von Hitzeschildelementen 1, 24, 25, welche an der Innenseite der Außenschale 16 lösbar befestigt sind, bildet einen Hitzeschild 41. In die Ringbrennkammer 2 wird auch ein gasförmiger oder flüssiger Brennstoff über wenigstens einen Brenner 42 eingedüst. Das dadurch entstehende Luft-Brennstoff-Gemisch wird gezündet und in der Brennkammer 2 ver- brannt . Entlang des Strömungspfades 43 strömen die heißen
Verbrennungsabgase von der Brennkammer 2 in den Turbinenab¬ schnitt 32, wo sie expandieren und abkühlen und dabei Impuls auf die Turbinenlaufschaufeln 35 übertragen. Die Turbinenleitschaufein 37 dienen dabei als Düsen zum Optimieren des Impulsübertrages auf die Laufschaufeln 35. Die durch den Im¬ pulsübertrag herbeigeführte Rotation der Welle 33 wird dazu genutzt, einen Verbraucher, beispielsweise einen elektrischen Generator, anzutreiben. Die entspannten und abgekühlten Verbrennungsgase werden schließlich durch einen Auslass 44 aus der Gasturbinenanlage 23 abgeleitet.

Claims

Patentansprüche
1. Hitzeschildelement (1), insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammer (2), mit einer ein- oder mehrteiligen Wand (3), welche (3) eine mit einem heißen Medium beaufschlagbare Hei߬ seite (4) und eine der Heißseite (4) gegenüberliegende Kalt¬ seite (5) aufweist, und mit einem an der Wand (3) angrenzen¬ den sich von der Heißseite (4) wegweisend erstreckenden umlaufenden Rand (6), welcher (6) zumindest zwei gegenüberlie- gende erste Randabschnitte (56) und ein quer zu den ersten Randabschnitten verlaufenden zweiten Randabschnitt (57) und einen gegenüber dem zweiten Randabschnitt (57) angeordneten dritten Randabschnitt (58) umfasst,
gekennzeichnet durch
einen die Wand (3) durchdringenden Öffnungsspalt (12), wel¬ cher die Wand (3) in einen ersten Wandabschnitt (51) und ei¬ nen zweiten Wandabschnitt (52) unterteilt, und durch
eine angrenzend an den Öffnungsspalt (12) angeordnete Trenn¬ wand (8), welche (8) sich an den zweiten Wandabschnitt (52) anschließt und von der Heißseite wegweisend zwischen den bei¬ den ersten Randabschnitten (56) erstreckt.
2. Hitzeschildelement (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich der Öffnungsspalt (12) beidseitig bis zu den ersten Randabschnitten (56) erstreckt.
3. Hitzeschildelement (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich der umlaufende Rand (6) und die Trennwand (8) bis zu einem freien Ende (7) erstreckt.
4. Hitzeschildelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass die Trennwand (8) zumindest im Bereich des Öffnungs¬ spalts (12) geneigt ist.
5. Hitzeschildelement (12) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Trennwand (8) mehrere Bohrungen (13) aufweist, deren (13) Achsen (14) auf den ersten Wandabschnitt (52) gerichtet sind.
6. Hitzeschildelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass am zweiten Wandabschnitt (51) zumindest eine sich von der Kaltseite aus erstreckende Befestigungsvorrichtung (15) angeordnet ist.
7. Hitzeschildelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
dass das Hitzeschildelement (1) aus Metall hergestellt ist.
8. Ringbrennkammer (2) umfassend eine Außenschale (16), eine Anzahl von Hitzeschildelementen (1), welche (1) an der Innenseite der Außenschale (16) lösbar befestigt sind, und einen sich über den Umfang der Außenschale (16) erstreckenden Ringkanal (17), dem (17) ein Luft-Bypassstrom zugeführt werden kann und der (17) einen zum Brennkammerinneren (19) offenen Ringspalt (18) aufweist, wobei die Hitzeschildelemente (1) angrenzend an den Ringspalt (18) angeordnet sind,
gekennzeichnet durch Hitzeschildelemente (1) gemäß einer der vorhergehenden Ansprüche.
9. Ringbrennkammer nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Ringspalt (18) zwischen der Trennwand (8) und dem dritten Randabschnitt (57) angeordnet ist.
10. Ringbrennkammer (2) nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Außenschale (16) erste Öffnungen (20) für die Prall¬ kühlung der Hitzeschildelemente (1) aufweist.
11. Ringbrennkammer (2) nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass zweite Öffnungen (21) für die Prallkühlung des ersten Wandabschnitts (52) im der Außenschale (16) angeordnet sind und in diesen (21) Röhrchen (22) angeordnet sind, die (22) sich zur Heißseite weisend über die Außenschale (16) überste¬ hen .
12. Ringbrennkammer (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
dass das Hitzeschildelement (1) zumindest abschnittsweise, insbesondere umlaufend, mit dem freien Ende (7) auf der Au¬ ßenschale (16) aufliegt; und/oder
dass zumindest abschnittsweise, insbesondere umlaufend, zwi- sehen dem freien Ende des Hitzeschildelements und der Außen¬ schale (16) ein elastisches und/oder im Rand (6) eingebautes Dichtmittel angeordnet ist.
13. Gasturbinenanlage (23) mit einer Ringbrennkammer (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 12.
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