EP3320266B1

EP3320266B1 - Kühlluftoptimiertes metallisches hitzeschildelement

Info

Publication number: EP3320266B1
Application number: EP15756635.7A
Authority: EP
Inventors: Andreas Böttcher; Tobias Krieger; Kai-Uwe Schildmacher
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-08-27
Filing date: 2015-08-27
Publication date: 2019-03-20
Anticipated expiration: 2035-08-27
Also published as: EP3320266A1; CN107923616A; CN107923616B; WO2017032424A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Hitzeschildelement zur Verwendung bei einem Hitzeschild, insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammerwand einer Gasturbine.
In der Brennkammer einer Gasturbine treten sehr hohe Temperaturen auf, welche ohne eine wirksame Schutzmaßnahme zu einer unmittelbaren Schädigung an der Gasturbine führen. Daher wird in bekannter Weise ein Hitzeschild eingesetzt, welches eine Trennung zwischen der heißen Brennkammer und der vor thermischer Schädigung zu schützenden Struktur hinter dem Hitzeschild bewirkt. Hierzu wird der Hitzeschild mit keramischen Hitzeschildkacheln und/oder metallischen Hitzeschildelementen ausgekleidet.
Die Hitzeschildkacheln bzw. die Hitzeschildelemente weisen in aller Regel eine flächige bzw. leicht gewölbte Gestalt mit einer zur Brennkammer weisenden Heißseite und einer gegenüberliegenden Kaltseite und umlaufenden Rändern auf. Diese werden jeweils an einer unter den Hitzeschildkacheln bzw. Hitzeschildelementen angeordneten Tragstruktur befestigt. In mehrfacher Anordnung nebeneinander wird ein weitgehend geschlossener Hitzeschild gebildet. Hierbei sind die Hitzeschildkacheln bzw. Hitzeschildelemente beabstandet zueinander positioniert, so dass sich jeweils ein Seitenspalt zwischen den Rändern benachbarter Hitzeschildelemente bildet. Der Seitenspalt zwischen den Hitzeschildkacheln bzw. Hitzeschildelementen ist erforderlich um unterschiedliche thermische Ausdehnungen zwischen den Hitzeschildkacheln bzw. Hitzeschildelementen und der darunter angeordneten Tragstruktur aufnehmen zu können.
Allein die Verwendung von Hitzeschildkacheln bzw. Hitzeschildelementen ist in aller Regel jedoch unzureichend, um eine fortschreitende Schädigung zu verhindern. Daher wird in bekannter Weise Kühlluft eingesetzt um das Entstehen kritischer Bauteiltemperaturen zu verhindern. Hitzeschildkacheln und Hitzeschildelemente weisen zwar eine höhere Temperaturbeständigkeit auf, dennoch sind insbesondere metallische Hitzeschildelemente im Betrieb der Gasturbine zu kühlen. Besondere Gefahr der Schädigung von Bauteilen durch Überhitzung durch einen sogenannten Heißgaseinzug ausgehend von der Brennkammer besteht bei den Befestigungsmitteln zur Fixierung der Hitzeschildkacheln bzw. Hitzeschildelemente sowie an der Tragstruktur des Hitzeschildes im Bereich der Seitenspalte zwischen den Hitzeschildkacheln bzw. Hitzeschildelemente sowie am Ende des Hitzeschildes im Übergang zur nachfolgenden Struktur. Zur Verhinderung des Heißgaseinzuges wird in bekannter Weise Kühlluft gezielt in den Seitenspalt eingeleitet und somit werden die unter den Hitzeschildkacheln bzw. Hitzeschildelementen liegende Tragstruktur und die Befestigungsmittel von Überhitzung geschützt.
In der Praxis zeigt sich jedoch vielfach das Problem der ungleichmäßigen Verteilung der Kühlluft über sämtliche Seitenspalte. Dieses ist einerseits bedingt durch unvermeidbar schwankenden Spaltbreiten zwischen den einzelnen Hitzeschildkacheln bzw. Hitzeschildelemente als auch anderseits eine ungleichmäßige Verteilung der Kühlluft, insbesondere aufgrund der erforderlichen Befestigungsmittel, eher die Regel als denn die Ausnahme ist. Eine besondere Problematik besteht zudem im Übergang vom Hitzeschild der Brennkammer auf den Einlauf in die nachfolgende Turbine. Im Ergebnis führt dies dazu, dass die Kühlung in einigen Bereichen unzureichend ist, während in anderen Bereichen Kühlluft verschwendet wird.
Hierzu offenbart die Schrift WO 2013/135702 A2 ein metallisches Hitzeschildelement, welches auf der Kaltseite mit Kühlluft beaufschlagt wird. Zur vorteilhaften Verteilung der Kühlluft in die Seitenspalte weisen zwei gegenüberliegende Randabschnitte mehrere in einer Reihe angeordnete Kühlluftbohrungen auf. Durch diese wird die Kühlluft direkt in den Seitenspalt eingeblasen und somit einem Eindringen von Heißgas vorteilhaft entgegen gewirkt.
Wenngleich durch das zuvor angeführte Hitzeschildelement mit in den am Spalt gelegenen Randabschnitten eingebrachten Kühlluftöffnungen eine verbesserte Sperrung der Spalte gegen ein Heißlufteinzug ermöglicht, so hat sich in der Praxis gezeigt, dass insbesondere an den Enden der belüfteten Randabschnitte die Gefahr des Heißlufteinzugs erhöht ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Verteilung der Kühlluft über die Länge des Spaltes unter Berücksichtigung der Anordnung der Hitzeschildelemente in mehreren Reihen zu verbessern.
Die gestellte Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Hitzeschildelement nach der Lehre des Anspruchs 1 gelöst.
Ein erfindungsgemäßer Hitzeschild unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes ist im Anspruch 11 angegeben.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das gattungsgemäße Hitzeschildelement bildet einen Bestandteil eines Hitzeschildes, wobei dieses insbesondere zur Verwendung bei einer Brennkammer einer Gasturbine vorgesehen ist. Hierbei wird am Hitzeschild eine Mehrzahl gattungsgemäßer Hitzeschildelemente eingesetzt. Das Hitzeschildelement umfasst zunächst einmal eine Wandung. Diese Wandung weist eine mit einem heißen Medium beaufschlagbare Heißseite sowie eine der Heißseite gegenüberliegende Kaltseite auf. Als Bestandteil des Hitzeschildes bei dessen Verwendung bei der Brennkammer weist insofern die Heißseite des Hitzeschildelements zum Heißgas aufweisenden Inneren der Brennkammer, während hingegen die Kaltseite von der Brennkammer wegweisend ausgerichtet ist. Die Wandung kann hierbei in einfachster Gestaltung planar ausgeführt sein, aber ebenso eine einfach oder mehrfach gewölbte Formgebung aufweisen.
Zumindest weist das Hitzeschildelement einen die Wandung umgebenden umlaufenden Rand auf. An diesem sind zumindest zwei einander gegenüberliegende erste Randabschnitte angeordnet. Hierbei verlaufen die ersten Randabschnitte im Wesentlichen parallel zueinander entlang einer Längsrichtung. Sofern es sich um eine planare Wandung mit rechteckiger Formgebung handelt, so verlaufen die ersten Randabschnitte parallel zueinander geradlinig in der Längsrichtung. Im Falle einer gewölbten Formgebung der Wandung verlaufen insofern die ersten Randabschnitte ungefähr parallel zueinander und hierbei im Wesentlichen in der Längsrichtung. Zumindest sind die ersten Randabschnitte derart auszuführen, dass sich bei einer Anordnung von drei gleichen gattungsgemäßen Hitzeschildelementen nebeneinander jeweils ein im Wesentlichen gleichmäßiger Spalt zwischen den benachbarten ersten Randabschnitten ergibt. Die ersten Randabschnitte des Hitzeschildelementes erstrecken sich hierbei ausgehend von der Heißseite bis über die Kaltseite hinaus bis zu einer Stegoberseite.
Dabei sind in den ersten Randabschnitten jeweils über die Länge des Randabschnitts verteilt mehrere Kühlluftöffnungen vorhanden, welche sich von einer Innenseite des jeweiligen Randabschnitts zu einer Außenseite des jeweiligen Randabschnitts erstrecken. Somit kann bei einer Kühlluftzufuhr auf der Kaltseite der Wandung, die Kühlluft von der Innenseite des Randabschnitts durch den Randabschnitt hindurch zur Außenseite und somit in den Spalt zwischen benachbarten Hitzeschildelementen gelangen.
Erfindungsgemäß wird nunmehr zur weiteren Optimierung der Kühlluftverteilung im Spalt in der Wandung zumindest eine Kühllufttasche eingebracht. Diese Kühllufttasche ist hierbei auf der Kaltseite angeordnet und taucht somit ausgehend von der Kaltseite in die Wandung in Richtung Heißseite ein. Diese Kühllufttasche ist hierbei im Bereich einer ersten Kühlluftöffnung anzuordnen. Dabei ist es erforderlich, dass sich die Kühllufttasche von der Innenseite ausgehend in einer Querrichtung, d.h. im Wesentlichen quer zur Innenseite, erstreckt. Zur Erzielung der geforderten Verbesserung der Kühlluftverteilung ist es erforderlich, dass die erste Kühlluftöffnung zumindest abschnittsweise innerhalb der Kühllufttasche angeordnet ist. Somit kann die auf der Kaltseite eingeleitete Kühlluft die Kühllufttasche durchquerend in die erste Kühlluftöffnung eingeleitet werden.
Durch die Modifizierung der üblichen Anordnung der Kühlluftöffnungen speziell einer ersten Kühlluftöffnung unter Verwendung einer in die Wandung eingebrachten Kühllufttasche kann gezielt im Bereich der ersten Kühlluftöffnung eine verbesserte Zuführung von Kühlluft in den Spalt bewirkt werden. Somit kann eine bessere Anpassung an die Kühlluftverteilung über den Verlauf des Spalts erzielt werden. Dieses führt wiederum zu dem Vorteil, dass ein geringerer Kühlluftverbrauch erforderlich ist, um effektiv einen Heißgaseinzug zu vermeiden. Eine vorteilhafte Gestaltung der Kühllufttasche wird erzielt, wenn diese eine vorteilhafte Größe im Verhältnis zur ersten Kühlluftöffnung aufweist. Daher wird vergleichend der kleinste freie Querschnitt der Kühlluftöffnung als Kühlluftquerschnitt herangezogen. In vorteilhafter Weise weist hierbei die Kühllufttasche zumindest abschnittsweise in dessen Verlauf von der Innenseite des ersten Randabschnitts bis zum Ende der Kühllufttasche eine erste Querschnittsfläche von zumindest dem 0,5-fachen und maximal dem 10-fachen des Kühlluftquerschnitts auf. Hierei wird eine erste Querschnittsfläche parallel zum gewählten Kühlluftquerschnitt betrachtet. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn die erste Querschnittsfläche der Kühllufttasche zumindest dem einfachen und maximal dem 5-fachen des Kühlluftquerschnitts entspricht. Durch diese vorteilhafte Gestalt der Kühllufttasche wird zum einen sichergestellt, dass effektiv hinreichend Kühlluft der ersten Kühlluftöffnung durch die Kühllufttasche zugeführt werden kann. Andererseits wird es vermieden, dass die Kühllufttasche eine unnötige Größe erreicht, welche nicht mehr zielführend zur Verbesserung der Kühlluftverteilung ist.
Analog hierzu ist es vorteilhaft, wenn die Kühllufttasche im Bereich der ersten Kühlluftöffnung eine zweite Querschnittsfläche betrachtet quer zum gewählten Kühlluftquerschnitt von zumindest dem 2-fachen und maximal dem 20-fachen des Kühlluftquerschnitts aufweist. Hierbei liegt die gewählte zweite Querschnittsfläche in einer Ebene, welche im Wesentlichen mittig durch die Kühlluftöffnung verläuft und im Wesentlichen quer zum Kühlluftquerschnitt ausgerichtet ist. Besonders vorteilhaft ist hierbei eine Wahl des zumindest 2-fachen und maximal dem 10-fachen des Kühlluftquerschnitts für die zweite Querschnittsfläche der Kühllufttasche.
Weiterhin ist es vorteilhaft, die Größe der Kühllufttasche unter Berücksichtigung der Abmessung des Hitzeschildelementes festzulegen. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Kühllufttasche eine Erstreckung in Querrichtung quer zur Innenseite des ersten Randabschnitts, von zumindest dem 0,05fachen und maximal dem 0,2fachen der Breite des Hitzeschildelements, gemessen in gleicher Richtung wie die Erstreckung der Kühllufttasche, aufweist. Die Auslegung der Kühllufttasche innerhalb diesen Größenverhältnisse hat sich als vorteilhaft hinsichtlich der Zufuhr von Kühlluft ausgehend von der Kaltseite in die Kühllufttasche zur Durchleitung durch die erste Kühlluftöffnung erwiesen.
Dabei ist es ebenso vorteilhaft, wenn die Kühllufttasche eine Tiefe ausgehend von der Kaltseite von zumindest dem 0,2-fachen und maximal dem 0,5-fachen der Materialstärke der Wandung (ausgehend von der Kaltseite bis zur Heißseite an gleicher Stelle) aufweist. Somit wird einerseits ein hinreichender Querschnitt zur Realisierung der Kühllufttasche zur Leitung des Kühlluftstroms durch die erste Kühlluftöffnung bereitgestellt, als auch ebenso die Wandung durch das Einbringen der Kühllufttasche nicht unnötig geschwächt wird.
Die konkrete Ausführungsform der Kühlufttasche ist zunächst unerheblich, sofern eine hinreichende Strömung von der Kaltseite durch die Kühllufttasche in die erste Kühlluftöffnung gewährleistet wird. Hierzu ist es jedoch vorteilhaft, wenn die umlaufenden Ränder der Kühllufttasche abgeflacht ausgeführt sind, bzw. im Übergang auf die Kaltseite abgerundet sind.
Erfindungsgemäß ist es erforderlich, dass die erste Kühlluftöffnung abschnittsweise im Bereich der Kühllufttasche angeordnet ist. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn zumindest 25% und maximal 75% des an der Innenseite gelegenen Querschnitts der Kühlluftöffnung innerhalb der Kühllufttasche angeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung der ersten Kühlluftöffnung, wenn diese an der Innenseite mit zumindest 40% jedoch maximal 60% innerhalb der Kühllufttasche angeordnet ist. Dieses führt quasi zu der Anordnung der ersten Kühlluftöffnung mittig zur Kaltseite, so dass ungefähr die Hälfte der ersten Kühlluftöffnung oberhalb der Kaltseite und die andere Hälfte der ersten Kühlluftöffnung unterhalb der Kaltseite angeordnet sind.
Die Ausführung der Kühllufttasche in Verbindung mit der ersten Kühlluftöffnung führt zu einer vorteilhaft bündigen Anordnung der ersten Kühlluftöffnung zum Grund der Kühllufttasche. Hierzu abweichend ist es jedoch ohne Nachteil, wenn ein geringer Abstand vom Grund der Kühllufttasche bis zur ersten Kühlluftöffnung vorhanden ist. Dieser beträgt hierbei vorteilhaft höchstens das 0,5-fache der Tiefe der Kühllufttasche, d.h. dem Abstand von der Kaltseite bis zum Grund der Kühllufttasche. Besonders vorteilhaft beträgt der Abstand vom Grund bis zur ersten Kühlluftöffnung höchstens das 0,25-fache der Tiefe der Kühllufttasche.
Die Ausführungsform und Ausrichtung der Kühlluftöffnungen, sowohl der ersten Kühlluftöffnungen als auch der weiteren Kühlluftöffnungen, ist zunächst unerheblich. Diesbezüglich kann auf den bekannten Stand der Technik verwiesen werden. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Kühlluftöffnungen sich von der Innenseite des ersten Randabschnitts zur Außenseite des ersten Randabschnitts erstreckend im Wesentlichen senkrecht zu der Innenseite bzw. zur Außenseite ausgerichtet sind. Unerheblich sind diesbezügliche Winkelabweichungen von +/- 15 Grad.
Hinsichtlich Ausrichtung der Außenseite des ersten Randabschnitts sowie der Innenseite des ersten Randabschnitts stehen ebenso verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung, wobei in vorteilhafter Weise die Außenseite und ebenso die Innenseite im Wesentlichen senkrecht zur Heißseite sowie im Wesentlichen senkrecht Kaltseite ausgerichtet sind. Diesbezüglich ist es wiederum unerheblich, wenn eine Winkelabweichung von +/- 15 Grad gegeben ist.
Dabei ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Materialstärke der ersten Randabschnitte zumindest dem 0,5-fachen der Materialstärke der Wandung sowie maximal dem 2-fachen der Materialstärke der Wandung beträgt. Dieses führt zu einer vorteilhaften Festigkeit und vermeidet unnötige Wärmespannungen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Materialstärke der ersten Randabschnitte im Wesentlichen der Materialstärke der Wandung entspricht.
In besonders vorteilhafter Weise weist das Hitzeschildelement am umlaufenden Rand einen weiteren zweiten Randabschnitt auf, welcher jeweils ein Ende der ersten Randabschnitte miteinander verbindet. Hierbei erstreckt sich der zweite Randabschnitt ebenso von der Heißseite bis über die Kaltseite hinaus. In Relation zu der ersten Kühlluftöffnung sowie den weiteren Kühlluftöffnungen ist diesbezüglich die erste Kühlluftöffnung, sowie zugehörig die Kühllufttasche nahe dem zweiten Randabschnitt als erste in der Reihe von Kühlluftöffnungen anzuordnen. Dieses nutzt die besonderen Vorteile der erfindungsgemäßen Ausführungsform mit der Kühltasche, als das durch die Anordnung der ersten Kühlluftöffnung mit der Kühllufttasche als erste der Mehrzahl der Kühlluftöffnungen vor einem zweiten Randabschnitt eine vorteilhafte Kühlluftversorgung im Bereich der Ecke des Hitzeschildelements ermöglicht wird.
Hierzu ist es weiterhin vorteilhaft, wenn das Hitzeschildelement eine auf der Kaltseite angeordnete Rippe umfasst. Diese gilt es ebenso zwischen den beiden ersten Randabschnitten verbindend erhaben auf der Kaltseite auszuführen, wobei diese beabstandet im Wesentlichen parallel zum zweiten Randabschnitt verläuft. Die erste Kühlluftöffnung mit der Kühllufttasche befindet sich hierbei zwischen der Rippe und dem zweiten Randabschnitt. In besonders vorteilhafter Weise sind die weiteren Kühlluftöffnungen auf der gegenüberliegenden Seite der Rippe, d. h. auf der vom zweiten Randabschnitt abweisenden Seite der Rippe angeordnet. Diese vorteilhafte Gestaltung unter Verwendung einer neben der ersten Kühlluftöffnung auf der Kaltseite angeordneten Rippe wird eine besonders vorteilhafte Luftströmung in die erste Kühlluftöffnung zur gezielten Belüftung im Eckbereich des Hitzeschildelements erzielt.
Die konkrete Ausführungsform des zweiten Randabschnitts, sowie die konkrete Ausführungsform der Rippe ist zunächst unerheblich, wobei diese in besonders vorteilhafter Weise im Wesentlichen übereinstimmend mit den ersten Randabschnitten ausgeführt werden und sich insofern ebenso bis zur Stegoberseite der ersten Randabschnitte erstrecken. Dabei haben diese eine im Wesentlichen übereinstimmende Materialstärke mit den ersten Randabschnitten und werden ebenso im Wesentlichen senkrecht zur Heißseite bzw. im Wesentlichen senkrecht zur Kaltseite ausgerichtet, wobei eine Winkelabweichung von +/-15 Grad ebenso als unerheblich angesehen wird.
Das erfindungsgemäße Hitzeschildelement führt zu einem neuen erfindungsgemäßen Hitzeschild unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Hitzeschildelements. Hierbei ist der Hitzeschild insbesondere zur Verwendung bei einer Brennkammer einer Gasturbine vorgesehen. Dabei bildet der Hitzeschild zumindest abschnittsweise die Wand der Brennkammer. Dieser weist hierbei eine Tragstruktur auf, auf der eine Mehrzahl von Hitzeschildkacheln und/oder Hitzeschildelementen befestigt sind, wobei zumindest ein Hitzeschildelement in erfindungsgemäßer oder dazu vorteilhafter Ausführungsform eingesetzt wird. Die Hitzeschildkacheln bzw. Hitzeschildelemente sind hierbei flächig unter Belastung jeweils eines Spalts aneinander angrenzend angeordnet. Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes wird ein verbesserter Hitzeschild erzielt, da nunmehr die Kühlluftverteilung im Spalt zwischen zwei Hitzeschildelementen verbessert werden kann.
Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn beim Hitzeschild eine vollständig umlaufende Reihe an Hitzeschildelementen jeweils mit einem Hitzeschildelement nach obiger Ausführungsform versehen ist und insofern jeweils zumindest eine Kühllufttasche bei einer ersten Kühlluftöffnung aufweisen. Dabei ist eine Anordnung der erfindungsgemäßen Hitzeschildelemente in umlaufender Reihe dergestalt erforderlich, dass die ersten Randabschnitte der jeweiligen Hitzeschildelemente am Spalt benachbart zueinander angeordnet, wobei die zweiten Randabschnitte in Verlängerung zueinander positioniert sind.
Darüber hinausgehend ist es besonders vorteilhaft, wenn die umlaufende Reihe erfindungsgemäßer Hitzeschildelemente bei dem besonders vorteilhaften Hitzeschild am stromab gelegenen Ende des Hitzeschildes angeordnet sind. Hierbei sind die einzelnen Hitzeschildelemente dergestalt auszurichten, dass die zweien Randabschnitte der Hitzeschildelement zum stromab gelegenen Ende des Hitzeschildes weisen.
Durch die besonders vorteilhafte Ausführungsform des Hitzeschildes mit am Ende des Hitzeschildes an jedem einzelnen Hitzeschildelement vorhandener Kühllufttasche mit erster Kühlluftbohrung wird eine besonders vorteilhafte Kühlluftversorgung im Endbereich des Hitzeschildes, insbesondere in den Spalten am Ausgang der Brennkammer erzielt. Besonders dieser Bereich im Übergang bei einer Gasturbine zu der Brennkammer nachfolgenden Leitschaufel wird ein Einzug von Heißgas im Eck der Hitzeschildelemente im Übergang vor der Leitschaufel vermieden.
In den nachfolgenden Figuren wird schematisch ein Ausführungsbeispiel für ein Hitzeschildelement sowie dessen Anordnung in einer Brennkammer skizziert.
Es zeigen:

Fig. 1: schematisch eine Brennkammer einer Gasturbine mit einem Hitzeschild;
Fig. 2: eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hitzeschildelements in perspektivischer Ansicht auf die Kaltseite;
Fig. 3: eine Detailansicht auf einen Eckbereich des Hitzeschildelements nach Fig. 2.

Die Figur 1 zeigt schematisch und beispielhaft einen Schnitt durch das Verbrennungssystem einer Brennkammer 26. Brenner 27 sind im oberen Bereich der Brennkammer 26 in Einlassöffnungen angeordnet. Dort findet die Vermischung des Brennstoffs mit der Verdichterluft statt. In der Brennkammer 26 erfolgt die Verbrennung. Durch den Auslass am stromab gelegenen Ende 24 der Brennkammer 26 gelangen die heißen Verbrennungsgase in eine Turbine, wo sie auf die erste stehende Leitschaufel 28 treffen. Zum Schutz vor Verzunderungen ist die Brennkammer 26 mit keramischen Hitzeschildkacheln 23 und metallischen Hitzeschildelementen 01 ausgekleidet, die 01, 23 an der Tragstruktur 22 des Hitzeschildes 21 befestigt sind.
Die Figur 2 zeigt schematisch und beispielhaft ein metallisches Hitzeschildelement 01 in erfindungsgemäßer Ausführung zur Verwendung bei einem Hitzeschild 21 für eine Brennkammer 26 einer Gasturbine. Das Hitzeschildelement 01 umfasst eine Wandung 03, die 03 eine mit einem heißen Medium beaufschlagbare Heißseite 04, eine der Heißseite 04 gegenüberliegende Kaltseite 05 und einen umlaufenden Rand aufweist. Die Wandung weist eine gewölbte Form auf und ist im Wesentlichen rechteckig ausgeführt.
Am umlaufenden Rand sind zwei einander gegenüberliegende erste Randabschnitte 06 vorhanden, welche 06 sich von der Heißseite 04 bis über die Kaltseite 05 hinaus bis zu einer Stegoberseite 07 erstrecken. Die ersten Randabschnitte 06 verlaufen hierbei in einer Längsrichtung des Hitzeschildelements 01. Die Längsrichtung entspricht in diesem Ausführungsbeispiel in der beispielhaften Anwendung bei dem in Fig. 1 dargestellten Hitzeschild näherungsweise der Strömungsrichtung. Weiterhin weisen die beiden gegenüberliegenden ersten Randabschnitte 06 jeweils eine sich von der Kaltseite 05 bis zur Stegoberseite 07 erstreckende Innenseite 08 und eine von der Heißseite 04 bis zur Stegoberseite erstreckende Außenseite 09 auf. Weiterhin befindet sich am umlaufenden Rand ein zweiter Randabschnitt 16, welcher 16 an den Ecken 18 des Hitzeschildelements 01 die zwei Enden der gegenüberliegenden ersten Randabschnitte 06 miteinander verbindet. Dieser 16 ist im Wesentlichen übereinstimmend mit den ersten Randabschnitten 06 ausgeführt und erstreckt sich quer zu diesen 06.
Dieses Ausführungsbeispiel weist weiterhin eine parallel und beabstandet zu dem zweiten Randabschnitt 16 verlaufende Rippe 17 auf, welche 17 auf der Kaltseite 05 angeordnet ebenso die beiden ersten Randabschnitte 06 miteinander verbindet.
Entlang der ersten Randabschnitte 06 sind jeweils mehrere Kühlluftöffnungen 11, 12 vorhanden, wobei eine erste Kühlluftöffnung 12 als erste in der Reihe der mehreren Kühlluftöffnungen 11, 12 zwischen dem zweiten Randabschnitt 16 und der Rippe 17 angeordnet ist, während alle weiteren Kühlluftöffnungen 11 an der von dem zweiten Randabschnitt 16 abweisenden Seite der Rippe 17 angeordnet sind. Im Bereich der ersten Kühlluftöffnung 12 ist in der Wandung 03 ausgehend von der Kaltseite 04 eine Kühllufttasche 13 vorhanden.
Die Figur 3 zeigt in einer Detailansicht im Bereich der Ecke 18 des Hitzeschildelements 01 aus Fig. 2 mit der ersten Kühlluftöffnung 12 und der Kühllufttasche 13. Diese 13 erstreckt sich von der Innenseite 08 aus quer zur Innenseite 08, d.h. im Wesentlichen entsprechend der Ausrichtung der ersten Kühlluftöffnung 12. In diesem Ausführungsbeispiel ist die erste Kühlluftöffnung 12 zu circa der Hälfte innerhalb der Kühllufttasche 13 angeordnet, d.h. die Mitte der ersten Kühlluftöffnung 12 liegt ungefähr auf Höhe der Kaltseite 04.
Die Abmessung der Kühllufttasche 13 sind derart gewählt, dass eine hinreichende Kühlluftströmung in die erste Kühlluftöffnung 12 ermöglicht wird, jedoch keine unnötige Schwächung der Wandung 03 erfolgt. Daher wurde in diesem Ausführungsbeispiel die Kühllufttasche 13 mit einer Tiefe ausgeführt, welche geringfügig tiefer ist als es die erste Kühlluftöffnung 12 erfordert. Weiterhin ist der Querschnitt der Kühllufttasche 13 in einer Ebene parallel zur Innenseite 08 - die Kühlluftbohrungen 11, 12 sind im Wesentlichen quer zur Innenseite 08 bzw. Außenseite 08 ausgerichtet - ungefähr doppelt so groß wie ein kleinster Kühlluftquerschnitt der ersten Kühlluftbohrung 12, wobei der Querschnitt sich zum Ende der Kühllufttasche 13 zunehmend verkleinert. Die Länge der Kühllufttasche 13 quer zur Innenseite, d.h. in Richtung der ersten Kühlluftöffnung 12, beträgt ungefähr das 2,5-fache der Materialstärke des ersten Randabschnitts 06 im Bereich der ersten Kühlluftöffnung 12.
Zurückkommend auf die Fig. 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Hitzeschildelemente 01 am stromab gelegenen Ende 24 des Hitzeschildes 21 angeordnet sind, wobei jeweils die ersten Randabschnitte 06 über einen Spalt benachbart zueinander ausgerichtet sind. Dazu werden im Bespiel die zweiten Randabschnitte 16 mit den an den Ecken 18 befindlichen ersten Kühlluftöffnungen 12 mit den Kühllufttaschen 13 gleichfalls stromab angeordnet. D.h. dass die Hitzeschildelemente 01 mit den zweiten Randabschnitte 16 zu den Leitschaufeln 28 weisend ausgerichtet sind.

Claims

Hitzeschildelement (01) für einen Hitzeschild (21) mit einer Wandung (03), welche Wandung (03) eine mit einem heißen Medium beaufschlagbare Heißseite (04) und eine der Heißseite (04) gegenüberliegende Kaltseite (05) aufweist, und mit zwei einander gegenüberliegende entlang einer Längsrichtung verlaufenden ersten Randabschnitte (06), welche Randabschnitte (06) sich jeweils von der Heißseite (04) über die Kaltseite (05) hinaus bis zu einer Stegoberseite (07) erstrecken und in den Randabschnitten (06) mehrere über der Länge der Randabschnitte (06) verteilt angeordnete sich von einer Innenseite (08) zu einer Außenseite (09) erstreckende Kühlluftöffnungen (11, 12) vorhanden sind, wobei auf der Kaltseite (05) eine Kühllufttasche (13) angeordnet ist, wobei die Kühllufttasche (13) ausgehend von der Kaltseite (05) in die Wandung (03) in Richtung Heißseite (04) eintaucht und sich ausgehend von der Innenseite (08) in einer Querrichtung erstreckt, wobei eine erste Kühlluftöffnung (12) zumindest abschnittsweise innerhalb der Kühllufttasche (13) angeordnet ist.
Hitzeschildelement (01) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Kühlluftöffnung (12) einen kleinsten freien Kühlluftquerschnitt aufweist,
wobei die Kühllufttasche (13) zumindest abschnittsweise eine erste Querschnittsfläche parallel zum Kühlluftquerschnitt von zumindest dem 0,5-fachen und maximal dem 10-fachen des Kühlluftquerschnitts aufweist;
und/oder
wobei die Kühllufttasche (13) im Bereich der ersten Kühlluftöffnung (12) eine zweite Querschnittsfläche quer zum Kühlluftquerschnitt von zumindest dem 2-fachen und maximal dem 20-fachen des Kühlluftquerschnitts aufweist.
Hitzeschildelement (01) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kühllufttasche (13) eine Erstreckung in Querrichtung von zumindest dem 0,05-fachen und maximal dem 0,2-fachen der Breite des Hitzeschildelements (01) aufweist;
und/oder
dass die Kühllufttasche (13) eine Tiefe ausgehend von der Kaltseite (05) von zumindest dem 0,2-fachen und maximal dem 0,5-fachen der Materialstärke der Wandung (03) ausgehend von der Kaltseite (05) bis zur Heißseite (04) aufweist.
Hitzeschildelement (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest 25% und maximal 75% der ersten Kühlluftöffnung (12) an der Innenseite (08) innerhalb der Kühllufttasche (13) gelegen ist.
Hitzeschildelement (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Kühlluftöffnung (12) bündig an einem Grund der Kühllufttasche (13) anschließt oder der Abstand der ersten Kühlluftöffnung (12) zum Grund höchstens das 0,5-fache der Tiefe der Kühllufttasche (13) beträgt.
Hitzeschildelement (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Außenseite (09) und die Innenseite (08) in einem Winkel zwischen 75° und 105° zur Heißseite (04) ausgerichtet sind; und/oder
dass die Materialstärke der ersten Randabschnitte (06) mindestens dem 0,5-fachen und maximal dem 2-fachen der Materialstärke der Wandung (03) beträgt.
Hitzeschildelement (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Hitzeschildelement (01) einen jeweils ein Ende der ersten Randabschnitte (06) verbindenden sich von der Heißseite (04) bis über die Kaltseite (05) hinaus erstreckenden zweiten Randabschnitt (16) aufweist, zu dem (16) die erste Kühlluftöffnung (12) am nächsten gelegen ist.
Hitzeschildelement (01) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Hitzeschildelement (01) eine auf der Kaltseite (05) angeordnete Rippe (17) umfasst, welche Rippe (17) die beiden ersten Randabschnitten (06) verbindend beabstandet zum zweiten Randabschnitt (16) verläuft, wobei die erste Kühlluftöffnung (12) zwischen dem zweiten Randabschnitt (16) und der Rippe (17) angeordnet ist.
Hitzeschildelement (01) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die weiteren Kühlluftöffnungen (11) auf der dem zweiten Randabschnitt (16) abweisenden Seite der Rippe (17) angeordnet sind.
Hitzeschildelement (01) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
dass sich der zweite Randabschnitt (16) und/oder die Rippe (17) im Wesentlichen bis zur Stegoberseite (07) erstreckt und/oder eine mit den ersten Randabschnitten (06) im Wesentlichen übereinstimmende Materialstärke aufweist und/oder in einem Winkel zwischen 75° und 105° zur Heißseite (05) ausgerichtet ist.
Hitzeschild (21) mit einer Tragstruktur (22) und einer Mehrzahl an flächig mit einem Spalt aneinander angrenzender jeweils an der Tragstrukur (22) befestigter Hitzeschildkacheln (23) und/oder Hitzeschildelemente (01),
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Hitzeschildelement (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgeführt ist.
Hitzeschild (21) nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass in einer umlaufenden Reihe Hitzeschildelemente (01) jeweils nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgeführt sind, wobei die ersten Randabschnitte (06) der Hitzeschildelemente (01) jeweils über einen Spalt benachbart und die zweiten Randabschnitte (16) in Verlängerung zueinander angeordnet sind.
Hitzeschild (21) nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die umlaufende Reihe Hitzeschildelemente (01) am stromab gelegenen Ende (24) des Hitzeschildes (21) angeordnet ist, wobei die zweiten Randabschnitte (16) zum Ende (24) weisen.