EP3134680B1

EP3134680B1 - Hitzeschildelement für einen hitzeschild einer brennkammer

Info

Publication number: EP3134680B1
Application number: EP15774528.2A
Authority: EP
Inventors: Andreas Böttcher; Christopher ECKERT; Shahrzad Juhnke; Boris Ferdinand Kock; Tobias Krieger; Patrick Lapp; Frank Wedekind; Benjamin WITZEL
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-09-29
Filing date: 2015-09-18
Publication date: 2018-07-04
Anticipated expiration: 2035-09-18
Also published as: CN107003000B; WO2016050535A1; CN107003000A; EP3134680A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hitzeschild, insbesondere zur Anordnung in einer Brennkammer einer Gasturbine, sowie auf ein Hitzeschildelement, welches als Bestandteil des Hitzeschilds verwendbar ist sowie auf eine Brennkammer und eine die Brennkammer umfassende Gasturbine, wobei die Brennkammer zumindest bereichsweise mit einem derartigen Hitzeschild ausgekleidet ist.
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 Allgemeine keramischer Hitzeschildsteine zusammengesetzt werden, die voneinander mit einem ausreichenden Spalt beabstandet an einer Tragstruktur mittels Halteelementen befestigt sind. Dieser Dehnspalt bietet den Hitzeschildsteinen, die auch mit Hitzeschildelementen bezeichnet werden können, ausreichenden Raum für die thermische Ausdehnung.
Die Hitzeschildelemente weisen durch dessen Funktion bedingt eine mit Heißgas beaufschlagbare Heißseite, eine gegenüberliegende (nicht notwendigerweise parallel zur Heißseite verlaufende) Kaltseite und Umfangsseiten, welche die Heißseite mit der Kaltseite verbinden, auf, wobei das Hitzeschildelement mit der Kaltseite zu einer Tragstruktur des Hitzeschilds weisend an der Tragstruktur befestigbar ist. Hierbei weist das betrachtete Hitzeschildelement in aller Regel eine flächige ebene Gestalt auf.
Die Kaltseite kann eine im Wesentlichen plane Fläche sein, die bei an der Tragstruktur befestigtem Hitzeschildelement auf der Tragstruktur aufliegt. Die Tragstruktur des gattungsgemäßen Hitzeschilds kann beispielsweise die Brennkammer zumindest bereichsweise nach radial innen auskleiden und als ein Bestandteil der Brennkammerwand ausgebildet sein.
In aller Regel sind in der Tragstruktur des Hitzeschildes parallel verlaufende Befestigungsnuten vorhanden. Hierbei sind die nebeneinander angeordneten Hitzeschildelemente jeweils mittels in den Befestigungsnuten gesicherter Befestigungselemente an der Tragstruktur befestigt.
Weiterhin ist es bekannt, dass der Eintritt von Heißgas aus dem Brennraum in den Spalt zwischen den Hitzeschildelementen, insbesondere in den Bereich der Befestigungselemente, nach Möglichkeit zu verhindern ist. Hierzu wird wiederum Kühlluft eingesetzt, welche über die Befestigungsnuten verteilt wird. Jedoch ist die Verteilung der Kühlluft nicht immer optimal. Insbesondere führen die im freien Querschnitt größeren Befestigungsnuten mit lokal unterschiedlichen Spaltbreiten zwischen den Hitzeschildelementen in Einzelfällen zu einer unzureichenden Spülung sämtlicher Spalte mit Kühlluft aufgrund des Austritts zu großer Kühlluftmengen in größeren Spalten. In Folge dessen wird entweder eine frühzeitige Schädigung der Tragstruktur bzw. der Befestigungsmittel in Kauf genommen - mit der Folge kürzerer Wartungsintervalle - oder es wird die Menge an Kühlluft erhöht, was zu einem - wenngleich geringfügig - kleineren Wirkungsgrad der Gasturbine führt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Verteilung von Kühlluft zu den Spalten zwischen den Hitzeschildelementen weiter zu optimieren.
Die Aufgabe wird mittels eines erfindungsgemäßen Hitzeschilds nach der Lehre des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das gattungsgemäße Hitzeschildelement wird bestimmungsgemäß bei einem gattungsgemäßen Hitzeschild eingesetzt, wobei der Hitzeschild eine Mehrzahl an Hitzeschildelementen umfasst. Der Hitzeschild dient als Hitzeschutz bei einer Brennkammer, insbesondere einer Brennkammer einer Gasturbine.
Der Hitzeschild umfasst neben den Hitzeschildelementen eine Tragstruktur, in der gattungsgemäß zumindest zwei in einem Abstand zueinander parallel angeordnete Befestigungsnuten verlaufen. Hierbei verlaufen die Befestigungsnuten in einer Längsrichtung, wobei hierunter nicht zwingend - wenngleich die Regel - eine Gerade zu verstehen ist. Die Längsrichtung kann ebenso einen in einer Ebene liegenden bogenförmigen Verlauf aufweisen. D.h. die Befestigungsnuten erstrecken sich entweder geradlinig oder folgend der Wölbung der Tragstruktur mit einem bogenförmigen Verlauf. Die Befestigungsnuten weisen hierbei eine im Wesentlichen gleichbleibende Nutenbreite und vorteilhaft einen gleichbleibenden Querschnitt auf - mit Ausnahme von beispielsweise Öffnungen zur Einbringung der Befestigungsmittel. Die Befestigungsnuten sind unter Berücksichtigung der vorgesehenen Befestigungsmittel zu gestalten, so dass diese in die Befestigungsnuten eingesetzt und darin gehalten werden können. Mittels der Befestigungsmittel werden die gattungsgemäßen Hitzeschildelemente im gattungsgemäßen Hitzeschild an der Tragstruktur befestigt. Hierbei werden die Hitzeschildelemente im Wesentlichen flächendeckend unter Belassung von Dehnspalten zwischen den Hitzeschildelementen in Reihen an der Tragstruktur lösbar befestigt.
Das Hitzeschildelement weist eine zum Brennkammerinneren weisende Heißseite und eine gegenüberliegende zur Tragstruktur weisende Kaltseite auf. Hierbei ist die Heißseite mit der Kaltseite umlaufend über Umfangsseiten verbunden, wobei zwei gegenüberliegende erste Umfangsseiten und zu den ersten Umfangsseiten im Wechsel zwei gegenüberliegende zweite Umfangsseiten vorhanden sind. Die Ausrichtung der zweiten Umfangsseiten entspricht hierbei der Längsrichtung. D.h. diese verlaufen parallel zu den Befestigungsnuten.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Hitzeschildelement der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass an der Kaltseite des Hitzeschildelementes zwei stegförmige Rippen angeordnet sind. Die zwei Rippen sind voneinander beabstandet und erstrecken sich in der Längsrichtung parallel zueinander entlang der Kaltseite und parallel beabstandet zu den zweiten Umfangsseiten. Es befindet sich somit quer zur Längsrichtung zumindest beidseitig der beiden Rippen sowie zwischen den beiden Rippen ein Bereich der Kaltseite. In sowohl einfacher als auch besonders vorteilhafter Weise sind die Rippen geradlinig an der Kaltseite angebunden.
Erfindungsgemäß ist es weiterhin erforderlich, dass die Rippen im Abstand der Befestigungsnuten angeordnet sind. Dabei muss die Rippenbreite zumindest geringfügig kleiner als die Nutbreite sein. Hinsichtlich der Auslegung des Abstands der Rippen und der Rippenbreite ist neben den nominalen Abstand der Befestigungsnuten und der Nutbreite in vorteilhafter Weise die unterschiedliche thermische Ausdehnung von der Tragstruktur und des Hitzeschildelements sowie die Betriebstemperaturen zu berücksichtigen.
Diese erfindungsgemäße Gestaltung der Rippen ermöglicht die Montage des erfindungsgemäßen Hitzeschildelements an der Tragstruktur, wobei die beiden Rippen bei an der Tragstruktur angeordnetem Hitzeschildelement in die beiden parallel zueinander verlaufenden Befestigungsnuten hineinragen, die in der Tragstruktur angeordnet sind.
Das Hitzeschildelement kann somit mit der Kaltseite auf der Tragstruktur angeordnet werden, wobei die Rippen in zwei Befestigungsnuten der Tragstruktur hinein ragen. Die Rippen füllen hierbei zumindest einen Teil des Volumens in den Befestigungsnuten aus. Somit reduziert sich der freie Querschnitt der Befestigungsnuten unterhalb der Kaltseite des Hitzeschildelements um die in die Befestigungsnuten ragenden Rippen. Der reduzierte Querschnitt verbessert die Verteilung der Kühlluft, so dass einer ungleichmäßigen Verteilung der Kühlluft durch einzelne Spalte zwischen den Hitzeschildelementen entgegen gewirkt wird. Dieses verbessert zum einen die Kühlwirkung und reduziert zum anderen den Verbrauch an Kühlluft, welche ansonsten erforderlich ist, um sicherzustellen, dass auch an schlecht belüfteten Stellen hinreichend Kühlluft zugeführt wird.
Die Verwendung eines einzelnen erfindungsgemäßen Hitzeschildelements beim erfindungsgemäßen Hitzeschild verbessert bereits anteilig die Kühlluftverteilung. Insofern ist es zunächst unerheblich, ob der Hitzeschild unter der Mehrzahl an Hitzeschildelementen ein oder mehrere erfindungsgemäße Hitzeschildelemente umfasst, wobei in vorteilhafter Weise entsprechend den Einbaumöglichkeiten möglichst viele erfindungsgemäße Hitzeschildelemente eingesetzt werden.
Das Hitzeschildelement kann sowohl einteilig als auch mehrteilig zusammengefügt sein und aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Hinsichtlich der Verwendung der erfindungsgemäßen Ausführung mit den rückseitigen in den Befestigungsnuten hineinragenden Rippen ist es jedoch besonders vorteilhaft, wenn das Hitzeschildelement aus einem keramischen Material besteht und mitsamt der Rippen einstückig hergestellt ist. Ein beispielsweise geschichteter Aufbau mit fest miteinander verbundenen bzw. ineinander übergehenden keramischen Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften ist hierbei mit inbegriffen.
Die keramischen Hitzeschildelemente können mittels einer Gießform hergestellt werden, wobei der verfestigte Grünling aus der Form entnommen wird und anschließend in einem Sinterprozess gebrannt wird. Zum ansetzen der Rippen wird somit lediglich eine entsprechend geformte Gießform benötigt. Das Herstellungsverfahren kann ansonsten dem bisher üblichen Verfahren entsprechen.
Weiter kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die beiden Rippen symmetrisch zu einer Mittelebene des Hitzeschildelements angeordnet sind. Dies reduziert die Gefahr des Heißgaseinzuges in einem Spalt umlaufend um das Hitzeschildelement, da die symmetrische Anordnung der Rippen bzw. der hiermit einhergehende im Wesentlichen symmetrische Aufbau des Hitzeschildelements zu einer gleichmäßigen Verteilung der Kühlluft führt und lokal unzureichend versorge Spaltbereiche vermeidet.
Die Breite der Rippen kann beispielsweise geringfügig schmaler als die Breite der Befestigungsnuten gewählt sein. Dies ermöglicht einen einfachen Einbau der Hitzeschildelemente und füllt möglichst viel Volumen zwischen den Steinhaltern aus. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Rippenbreite der Rippen zumindest 75% der Nutbreite der Befestigungsnuten entspricht. Besonders vorteilhaft ist eine Rippenbreite von 90% der Nutbreite.
Ebenso ist es vorteilhaft, wenn unter Berücksichtigung der unterhalb des Hitzeschildelements in den Befestigungsnuten vorhandenen Befestigungsmitteln und/oder Mitteln zur Kühlluftverteilung 75% des freien Abstands von der Kaltseite bis zum Grund der Befestigungsnut bzw. bis zu den Befestigungsmitteln von den Rippen ausgefüllt wird. Hier ist analog der Rippenbreite eine Höhe der Rippen von 90% des zur Verfügung stehenden Bauraums besonders vorteilhaft.
Die Ausführung der Rippen quer zur Längsrichtung ist zunächst unerheblich, wobei sich die Gestalt sowohl einfach als auch vorteilhaft darstellt, wenn sich die Rippen auf deren Oberseite geradlinig in einer Querrichtung quer zur Längsrichtung erstrecken.
Unabhängig von der Befestigungsart ist es in jedem Fall vorteilhaft, wenn in Verlängerung der Rippen - welche bei montiertem Hitzeschildelement in die Befestigungsnuten hineinragen - an den beiden ersten gegenüberliegenden Umfangsseiten jeweils zumindest eine Ausnehmung vorhanden ist. Sofern eine Ausnehmung vorhanden ist, so ist diese in einer Länge auszuführen, welche sich zumindest von einer Rippe bis zur anderen Rippe erstreckt, so dass in Verlängerung der Rippen jeweils ein Befestigungsmittel in den Ausnehmungen angeordnet werden kann. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn in Verlängerung jeder Rippe auf jeder Seite eine Ausnehmung angeordnet wird, welche insofern lediglich diejenige Länge entlang der ersten Umfangsseite aufweisen muss, welche für die Anbringung des Befestigungsmittels erforderlich ist.
Diese Ausgestaltung der Erfindung bezieht sich auf eine viereckige Grundform des Hitzeschildelementes, wobei die Befestigungsmittel (vorzugsweise vier) paarweise gegenüberliegend mit Halteabschnitten in die mindestens eine Ausnehmung eingreifen. Die Ausnehmung kann beispielsweise eine parallel zur Kaltseite an der Umfangsseite verlaufende Nut sein.
Entsprechend stellt es sich als besonders vorteilhaft dar, wenn an den beiden ersten gegenüberliegend angeordneten Umfangsseiten vier paarweise gegenüberliegend angeordnete Ausnehmungen angeordnet sind, wobei jeweils zwischen der Kaltseite und der Ausnehmung ein Halteriegel zur Auflage eines Befestigungsmittels ausgebildet ist, wobei sich die beiden Rippen in ihrer Längsrichtung beidseitig von einer Ausnehmung zur gegenüberliegenden Ausnehmung erstrecken.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass in Längsrichtung der stegförmigen Rippe auf jeder Seite jeweils ein Befestigungsmittel angeordnet ist, welches mit einem Befestigungsabschnitt in der jeweiligen Befestigungsnut angeordnet ist und mit einem Halteabschnitt in eine Ausnehmung einer Umfangsseite des Hitzeschildelementes eingreift, wobei die Rippe das zwischen den zwei Befestigungsmitteln in der Befestigungsnut verlaufende Volumen zumindest teilweise ausfüllt.
Zur Befestigung des Hitzeschildelements an der Tragstruktur kommen verschiedene Befestigungsarten in Betracht. In einer ersten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Hitzeschildelement an der Tragstruktur angeschraubt wird. Die Befestigungsmittel können Befestigungsbolzen sein, die mit einem Bolzenkopf auf einem in die Ausnehmung eingelegtem Halteblech aufliegen. An der ersten Umfangsseite wird hierzu in vorteilhafter Weise eine Aussparung (bspw. Befestigungsbohrung oder Befestigungsnut) zwischen der Ausnehmung und der Kaltseite eingebracht, welche die Kaltseite mit der Ausnehmung verbindet. In dieser Aussparung kann der Bolzenschaft sich in Richtung Tragstruktur erstrecken. Der Befestigungsbolzen kann in ein in der Tragstruktur angeordnetes Befestigungsmittel eingeschraubt sein, welches ein Tellerfederpaket umfasst und den Bolzen federnd hält. Diese Art der Befestigung eignet sich insbesondere für einen Attrappenstein, der als letzter der Reihe in einer normal zur Tragstruktur weisenden Montagebewegung an der Tragstruktur befestigt werden muss.
Bevorzugt werden zur Befestigung des erfindungsgemäßen Hitzeschildelements in einer zweiten Befestigungsart Steinhalter als Befestigungsmittel verwendet, welche in die Befestigungsnuten in der Tragstruktur eingeschoben werden können und federnd klemmend das Hitzeschildelement erfassen. Diese Steinhalter umfassen eine längliche Grundplatte, die mit einer Verbreiterung in eine nutförmige Verbreiterung der Befestigungsnut eingreift. Dadurch ist die Grundplatte gegen ein Herausziehen aus der Befestigungsnut gesichert und kann entlang der Befestigungsnut verschoben werden. An der Grundplatte ist ein Halteabschnitt angeordnet, der aus der Befestigungsnut herausragt und in die Umfangsfläche des Hitzeschildelementes eingreift. Der Steinhalter ist aus einem metallischen Material und hält das Hitzeschildelement federnd in Position.
Die Befestigungsnuten dienen der Befestigung von Hitzeschildelementen mittels einer parallel zur Befestigungsnut verlaufenden Montagebewegung. Die Hitzeschildelemente werden hierbei an in den Befestigungsnuten verschiebbar gehaltenen Steinhaltern befestigt und bei ihrer Montage an den jeweils letzten Stein der Reihe heran geschoben. Je vier paarweise gegenüberliegend angeordnete Steinhalter halten dabei ein Hitzeschildelement. Um ein unkontrolliertes Verschieben der Hitzeschildelemente entlang der Nuten zu verhindern, werden in der Endposition des Hitzeschildelementes je zwei Steinhalter einer Seite zusätzlich fixiert. Da die Hitzeschildelement-Reihe im Allgemeinen umlaufend ist, wird an mindestens einer Position ein sogenannter Attrappenstein eingefügt, der in einer normal zur Tragstruktur weisenden Montagebewegung in der Reihe befestigt wird. Beispielsweise mittels vier paarweise gegenüberliegend angeordneten Schraubverbindungen, die in den Nutboden der Befestigungsnuten eingeschraubt werden.
Für beide beispielhaft genannte Ausgestaltungen der Befestigungsmittel - Steinhalter oder Befestigungsbolzen - eignen sich die erfindungsgemäß ausgebildeten Rippen gleichermaßen.
Durch die von der Kalteseite ausgehende erhabene Gestalt der Rippen weisen diese - sofern nicht als Halbzylinder ausgeführt - mindestens eine Oberseite und jeweils gegenüberliegende in Längsrichtung verlaufende Längsflächen auf. Hinsichtlich der Gestalt der Oberseite ist es hierbei besonders vorteilhaft, wenn die Rippen zu den Enden hin abgeflacht ausgebildet sind. Somit kann eine vorteilhafte Anpassung an den in den Befestigungsnuten nach Anordnung der Steinhalter verbleibenden Freiraum erfolgen. Ausgehend von den ersten Umfangsseiten dem Verlauf der Steinhalter folgend tauchen die Rippen hierbei im schrägen Verlauf in die Befestigungsnut ein, so dass die an den Stirnseiten abgeflachte Form der Rippen das zwischen den Steinhaltern vorhandene Volumen in der Nut besonders vorteilhaft ausfüllt.
Bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäß ausgebildeten Hitzeschilds gelten analog die zu dem erfindungsgemäß ausgebildeten Hitzeschildelement dargelegten Ausführungen und Vorteile. Der Hitzeschild kann im Wesentlichen keramische Hitzeschildelemente umfassen und im Wesentlichen (beispielsweise bis auf eine Abschlussreihe aus metallischen Hitzeschildelementen) unter jeder Hitzeschildelement-Reihe parallel angeordnete Befestigungsnuten aufweisen. Beispielsweise können im Wesentlichen alle keramischen Hitzeschildelemente des Hitzeschilds mit erfindungsgemäß ausgebildeten Rippen ausgestattet sein.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Brennkammer für eine Gasturbine, welche zum Schutz vor Heißgas zumindest bereichsweise mit einem Hitzeschild ausgekleidet ist, und eine Gasturbine mit mindestens einer derartigen Brennkammer anzugeben. Hierzu ist der Hitzeschild der Brennkammer entsprechend der vorherigen Ausführung mit zumindest einem erfindungsgemäßen oder hierzu vorteilhaften Hitzeschildelement versehen.
In den nachfolgenden Figuren wird beispielhaft eine Ausführungsform für einen Hitzeschild bzw. ein erfindungsgemäßes Hitzeschildelement skizziert.
Dabei zeigt die

Fig.1: schematisch eine Gasturbine in einem Längsschnitt;
Fig.2: schematisch einen Ausschnitt eines Hitzeschilds nach dem Stand der Technik in einem Längsschnitt;
Fig.3: analog der Fig.2 ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Hitzeschild mit einem erfindungsgemäßen Hitzeschildelement;
Fig.4: das Hitzeschildelement aus Fig. 3 in einer perspektivischen Ansicht.

Die Figur 1 zeigt eine Schnittansicht einer Gasturbine 1 in schematisch vereinfachter Darstellung. Die Gasturbine 1 weist in ihrem Inneren einen um eine Rotationsachse 2 drehgelagerten Rotor 3 mit einer Welle auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 3 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse, ein Verdichter 8, ein Verbrennungssystem 9 mit einer oder mehreren Brennkammern 10 - die jeweils eine Brenneranordnung mit Brennern, ein Brennstoffversorgungssystem für die Brenner (nicht dargestellt) und ein Gehäuse umfassen - eine Turbine 14 und ein Abgasgehäuse. Die Brennkammer 10 kann beispielsweise eine Ringbrennkammer sein. Die Erfindung kann sich aber auch auf Gasturbinen beziehen, die als Turbomaschine mit mehreren Ringbrennkammern ausgebildet ist. Die Erfindung kann sich auch auf Gasturbinen beziehen mit einer oder mehreren Rohr- oder Silobrennkammern. Die Rohrbrennkammern können beispielsweise ringförmig an dem Turbineneintritt angeordnet sein.
Während des Betriebes der Gasturbine wird vom Verdichter 8 Luft angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 8 bereitgestellte Verdichterluft L" wird entlang eines Brennerplenums 7 zu dem Verbrennungssystem 9 geführt und dort im Bereich der Brenneranordnung in die Brenner geleitet und in diesen mit Brennstoff vermischt und/oder im Austrittsbereich des Brenners mit Brennstoff angereichert. Das Gemisch bzw. die Verdichterluft und der Brennstoff werden von den Brennern in die Brennkammer 10 eingeleitet und verbrennen unter Bildung eines heißen Arbeitsgasstromes in einer Verbrennungszone innerhalb des Brennkammergehäuses der Brennkammer. Von dort strömt der Arbeitsgasstrom entlang des Heißgaskanals an Leitschaufeln und Laufschaufeln vorbei.
Die Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt eines Hitzeschilds 12 aus dem Stand der Technik in einem Längsschnitt durch die Befestigungsnut 44 mit einer Tragstruktur 26 und einer an der Tragstruktur 26 lösbar befestigten Anzahl an Hitzeschildelementen 28, welche 28 unter Belassung von Dehnspalten flächendeckend an der Tragstruktur 26 angeordnet sind. Die Hitzeschildelemente 28 bestehen aus einem keramischen Material. Die keramischen Hitzeschildelemente 28 weisen jeweils eine mit Heißgas beaufschlagbare Heißseite 32, eine gegenüberliegende Kaltseite 34 und erste Umfangsseiten 36a auf, welche 36a die Heißseite 32 mit der Kaltseite 34 verbinden. Die Hitzeschildelemente 28 sind mit der Kaltseite 34 zur Tragstruktur 26 weisend an der Tragstruktur 26 befestigt. In den ersten gegenüberliegenden Umfangsseiten 36a sind jeweils zwei taschenartige Ausnehmungen 38 angeordnet, welche 38 zum Eingriff jeweils eines Befestigungsmittels 40 ausgebildet sind. Alternativ können die Ausnehmungen 38 als eine Nut ausgebildet sein, welche parallel zur Heißseite 32 entlang der jeweilige erste Umfangsseiten 36a verläuft.
In diesem Ausführungsbeispiel werden Steinhalter 40 als rückfedernd ausgebildeten metallischen Befestigungsmittel 40 eingesetzt. Diese 40 sind mit einem Befestigungsabschnitt 42 in einer Befestigungsnut 44 angeordnet und greifen mit einem Halteabschnitt 46 in die als Eingriffseinrichtung ausgebildete Ausnehmung 38 ein, wobei die Steinhalter 40 das keramische Hitzeschildelemente 28 an die Tragstruktur 26 heranziehen und in dieser Position halten. Alternativ können auch anderer Befestigungsmittel verwendet werden. Beispielsweise kann das Hitzeschildelement 28 mittels Befestigungsbolzen an der Tragstruktur befestigt sein. In diesem Fall liegen die Befestigungsbolzen mit ihrem Bolzenkopf in der Ausnehmung 38 auf einem Blech auf dem Halteriegel 30 auf, wobei sich in dem Halteriegel eine Aussparung (nicht dargestellt) bis zur Kaltseite erstreckt, in welche der Bolzenschaft von der Ausnehmung bis zur Kaltseite verläuft. Die Befestigungsbolzen können beispielsweise jeweils in ein in der Tragstruktur angeordnetes Tellerfederpaket eingeschraubt sein, so dass auch diese Befestigungsart das keramische Hitzeschildelement 28 federnd an der Tragstruktur 26 befestigt.
Im Betrieb des Hitzeschilds 12 wird die Heißseite 32 mit Heißgas beaufschlagt, welches teilweise in die Dehnspalten zwischen den Umfangsseiten 36a eindringt. Um die Befestigungsmittel 40 und die Tragstruktur 26 vor dem Heißgaseinzug zu schützen, wird über Kühlluftkanäle in der Tragstruktur 26 Kühlluft eingeleitet, welche die Dehnspalten sperrt. Die Kühlluft kann beispielsweise unterhalb eines Hitzeschildelementes 28 eingeleitet werden, so dass sich die Kühlluft zuerst unter dem Hitzeschildelement 28 verteilt und die Tragstruktur und die Befestigungsmittel 40 kühlt und anschließend über die Dehnspalten entweicht.
Die Figur 3 zeigt nunmehr ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Hitzeschild 24 mit einem beispielhaften erfindungsgemäßen Hitzeschildelement 50. Die Darstellung ist übereinstimmend mit der Darstellung aus Fig. 2 gewählt, wobei der grundsätzliche Aufbau des Hitzeschildes 24 und des Hitzeschildelementes 50 demjenigen des gattungsgemäßen Hitzeschildes 12 und des Hitzeschildelementes 28 aus Fig. 2 entspricht. Insofern soll hier nur auf die erfindungsrelevanten Unterschiede eingegangen werden.
Wie zu erkennen ist, ragt das Hitzeschildelement 50 bis in die Befestigungsnut 44 hinein. Hierzu weist das Hitzeschildelement 50 an seiner Kaltseite 34 im Bereich der Befestigungsnut 44 jeweils eine Rippe 54 auf. Diese 54 ist derart geformt, der Freiraum bis zu den unterhalb des Hitzeschildelements 50 angeordneten Steinhalter 40 auf ein geringes Maß reduziert wird. Dementsprechend wird das überwiegend im gattungsgemäßen Stand der Technik entsprechend Fig.2 zwischen der Kaltseite 34 und den Steinhaltern 40 in den Befestigungsnuten 44 vorhandene freie Volumen durch die Rippen 54 ausgefüllt. Weiterhin ist zuerkennen, dass eine Oberseite 58 der Rippe 54 zu den Enden, d.h. zu den ersten Umfangsseiten 36a, hin abgeflacht ist und sich an die Kaltseite 34 annähert. Dieses ist bedingt durch den regulären Verlauf der üblicherweise eingesetzten Steinhalter 40 und dem somit zur Verfügung stehenden Bauraum.
Die Figur 4 zeigt nunmehr ein Hitzeschildelement 50 mit Blick auf die Kaltseite 34 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht. An der Kaltseite 34 sind zwei stegförmige Rippen 54 angeordnet. Die beiden stegförmigen Rippen 54 sind voneinander beabstandet und erstrecken sich in ihrer Längsrichtung 60 gerade und parallel zueinander entlang der Kaltseite 34 in Richtung zweier gegenüberliegend angeordnete Umfangsseiten 36a, wobei sich die beiden Rippen 54 quer zu ihrer Längsrichtung 60 mit einem Abstand zu den anderen beiden Umfangsseiten 36b entlang der Kaltseite 34 erstrecken.
Das Hitzeschildelement 50 weist vier Umfangsseiten auf, wobei die zwei erste Umfangsseiten 36a jeweils zwei Ausnehmungen 38 aufweisen zum Anordnen von jeweils zwei Befestigungsmitteln, wobei die zwei Rippen 54 im Wesentlichen in ihrer Längsrichtung 60 senkrecht zu den zwei Umfangsseiten 36a und mit einem Abstand zu den beiden anderen zweiten Umfangsseiten 36b an der Kaltseite 34 angeordnet sind und sich in ihrer Längsrichtung 60 beidseitig in Richtung zweier gegenüberliegend angeordneter Ausnehmungen 38 erstrecken. Die Ausnehmungen 38 umfassen eine Aussparung 52, welche 52 von der Ausnehmung 38 entlang der Umfangsseite 36a bis zur Kaltseite 34 verläuft. Über diese Aussparungen 52 kann beispielsweise Kühlluft direkt auf ein in die Ausnehmung 38 eingreifendes Befestigungsmittel 40 geleitet werden.
Der Abstand der Rippen 54 zueinander und die Breite 62 der Rippen 54 ist derart ausgebildet, dass die beiden Rippen 54 bei an der Tragstruktur 26 (siehe Figur 3) angeordnetem Hitzeschildelement 50 in zwei parallel zueinander verlaufende Befestigungsnuten 44 (siehe Figur 3) hineinragen, die in der Tragstruktur 26 angeordnet sind. Die Rippen 54 füllen das zwischen den zwei Befestigungsmitteln 40 in der Befestigungsnut 44 verlaufende Volumen zumindest teilweise aus. Bei einer Verwendung der in Figur 2 und 3 dargestellten Steinhalter 40 als Befestigungsmittel kann das zwischen den beiden Befestigungsmitteln 40 in der Befestigungsnut 44 verlaufende Volumen optimal mit einer Rippenform ausgefüllt werden, welche der in Figur 4 dargestellten Form im Wesentlichen entspricht. Die Rippen 54 weisen eine Oberseite 58 und zwei Längsflächen 56 auf, wobei die Rippen 54 zu den Enden hin abgeflacht ausgebildet sind.
Für das Hitzeschildelement 50 wird ein keramisches Material eingesetzt, wobei weiterhin das Hitzeschildelement 50 mitsamt der Rippen 54 einstückig hergestellt ist.
Um die Befestigungsnuten 44 vor Heißgaseinzug zu schützen, verlaufen diese 44 mit einem Abstand zu den zweiten Umfangsseiten 36b unterhalb des Hitzeschildelementes 50. Deshalb sind die beiden Rippen 54 symmetrisch zu einer Mittelebene des Hitzeschildelements 50 angeordnet und verlaufen mit einem Abstand zu den Umfangsseiten 36b parallel zu den zweiten Umfangsseiten 36b in Längsrichtung 60 entlang der Kaltseite 34. Die Rippen 54 bilden zudem eine Sperre für Heißgas aus, welches über die Umfangsseiten 36b unter das Hitzeschildelement 50 eindringt.

Claims

Hitzeschild (24) einer Brennkammer (10)mit einer Tragstruktur (26), und mit einer Anzahl an Hitzeschildelementen (28, 50), welche (28, 50) jeweils eine mit Heißgas beaufschlagbaren Heißseite (32) und eine gegenüberliegenden Kaltseite (34) und zwei einander gegenüberliegenden die Heißseite (32) mit der Kaltsei-te (34) verbindenden ersten Umfangsseiten (36a) und zwei einander gegenüberliegenden die Heißseite (32) mit der Kaltseite (34) verbindenden und sich in der Längsrichtung (60) erstreckenden zweiten Umfangsseiten (36b) aufweisen und im Wesentlichen flächendeckend unter Belassung von Dehnspalten zwischen den Hitzeschildelementen (28, 50) in Reihen an der Tragstruktur (26) lösbar befestigt sind,
dadurch gekennzeichnet, dass die Tragestruktur zumindest zwei in einem Abstand beabstandete parallel zueinander in einer Längsrichtung (60) verlaufende und eine Nutbreite aufweisende Befestigungsnuten (44) zur Befestigung eines Hitzeschildelements (50) umfasst, und
dass an zumindest einem Hitzeschildelement (50) an der Kaltseite (34) zwei stegförmige in der Längsrichtung (60) verlaufende zueinander beabstandete Rippen (54) angeordnet sind, wobei die Rippen (54) in die Befestigungsnuten (44) hineinragen.
Hitzeschild (24) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Hitzeschildelement (50) aus einem keramischen Material besteht und mitsamt der Rippen (54) einstückig hergestellt ist.
Hitzeschild (24) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Rippen (54) symmetrisch zu einer Mittelebene des Hitzeschildelements (50) angeordnet sind.
Hitzeschild (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rippenbreite (60) zumindest 75%, insbesondere zumindest 90%, der Nutbreite beträgt.
Hitzeschild (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zwei ersten Umfangsseiten (36a) jeweils eine durchgehende oder zwei beabstandete Ausnehmungen (38) zum Anordnen zweier Befestigungsmittel (40) aufweisen, welche (38) in Verlängerung der Rippen (54) angeordnet sind.
Hitzeschild (24) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass jeweils zwischen der Kaltseite (34) und der Ausnehmung (38) ein Halteriegel (30) zur Anbringung des Befestigungsmittels (40) ausgebildet ist.
Hitzeschild (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rippen (54) jeweils zumindest eine Oberseite (58) und zwei Längsflächen (56) aufweisen, wobei die Rippen (54) zu den Enden hin mit einer Annäherung der Oberseite (58) an die Kaltseite (34) abgeflacht ausgebildet sind.
Hitzeschild (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass beidseitig unterhalb und in Verlängerung der Rippen (54) jeweils ein Befestigungsmittel (40) angeordnet ist, welches (40) mit einem Befestigungsabschnitt (42) in der jeweiligen Befestigungsnut (44) angeordnet ist und mit einem Halteabschnitt (46) in einer Ausnehmung (38) eingreift, wobei die jeweilige Rippe (54) den Bauraum in der Befestigungsnut (44) zwischen der Kaltseite (34) und den Befestigungsmitteln (40) zumindest teilweise ausfüllt.
Brennkammer (10) für eine Gasturbine (1), welche (10) zumindest bereichsweise mit einem Hitzeschild (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgekleidet ist.