EP3839347A1 - Hitzeschildkachel einer brennkammer - Google Patents

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Publication number
EP3839347A1
EP3839347A1 EP19218740.9A EP19218740A EP3839347A1 EP 3839347 A1 EP3839347 A1 EP 3839347A1 EP 19218740 A EP19218740 A EP 19218740A EP 3839347 A1 EP3839347 A1 EP 3839347A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cooling air
heat shield
combustion chamber
shoulder
shield tile
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP19218740.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Elke Henschel
Annika Liedtke
Christian Nikasch
Martin Stapper
Michael Winterstein
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP19218740.9A priority Critical patent/EP3839347A1/de
Publication of EP3839347A1 publication Critical patent/EP3839347A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/002—Wall structures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/007—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel constructed mainly of ceramic components

Definitions

  • the invention relates to a heat shield tile for use in a combustion chamber of a gas turbine.
  • Heat shield tiles for use in a combustion chamber are well known from the prior art.
  • the EP 3 017 253 B1 a heat shield tile made of a ceramic material, which has an approximately square shape with a hot side facing the interior of the combustion chamber and an opposite cold side. It is provided here that the heat shield tile has a thickness that increases from one side edge to the opposite side edge. On that side edge on which the heat shield tile has a greater thickness, a shoulder is arranged, which is provided to overlap a complementary shoulder in the combustion chamber support structure.
  • the object of the present invention is therefore to reduce the damage caused by the thermal load.
  • the generic heat shield tile is initially used for use in a combustion chamber.
  • the type of combustion chamber in question is initially irrelevant, the use in a gas turbine being particularly appropriate.
  • the heat shield tile has a hot side facing the interior of the combustion chamber, i.e. the combustion chamber, and a cold side on the opposite side. It is intended that the heat shield tile is arranged with the cold side on a support structure of the combustion chamber. Corresponding to the usual use of the heat shield tile in multiple arrangements, it has a longitudinal direction and a transverse direction perpendicular to the longitudinal direction.
  • the hot side of the heat shield tile is connected to the cold side via two opposite longitudinal edges, the longitudinal edges extending approximately in the longitudinal direction, i.e. running along the longitudinal direction.
  • the heat shield tile has a side edge which extends along the transverse direction and also connects the hot side with the cold side. The shape of the longitudinal edges and the side edge is initially irrelevant.
  • the generic heat shield tile has a shoulder which is arranged opposite the side edge on the hot side.
  • the shoulder with the hot side extends beyond the cold side.
  • the shoulder at the end of the heat shield tile has an end surface opposite the side edge and a shoulder surface opposite the hot side offset from the cold side.
  • the shoulder surface is connected to the cold side via a step surface.
  • the heat shield tile has two opposite sides in the step surface Has cooling air pockets. These extend in the transverse direction starting from the opposite longitudinal edges.
  • the cooling air pockets allow cooling air to flow into the area of the step surface, so that as a result the heat shield tile experiences improved cooling in the area of the heel.
  • cooling air pockets adjoin the shoulder surface at least in sections. It is thus made possible that the cooling air flowing through the cooling air pockets can subsequently continue to flow along the shoulder surface.
  • the width of the cooling air pockets viewed in a direction from the hot side to the cold side, continuously decreases from the longitudinal edge in the direction of a center of the heat shield tile. This advantageously promotes the further distribution of the cooling air along the shoulder surface and the step surface, and the strength and stability of the heat shield tile is guaranteed.
  • a preferred length of the respective cooling air pocket in the transverse direction is given if it is at least 0.16 times the length of the step surface in the transverse direction.
  • the cooling air pocket thus has a length in relation to the distance from the cooling air pocket to a center of the heat shield tile of 1: 2.
  • Advantageous cooling can be ensured by using the cooling air pockets. It is particularly advantageous if the length of the cooling air pockets corresponds to at least 0.21 times the length of the step surface.
  • the length of the respective cooling air pocket in the transverse direction is limited to a maximum of 0.32 times the length of the step surface in the transverse direction becomes.
  • the cooling air pocket analogously has a length in relation to the distance between the cooling air pockets and a center of the heat shield tile of 2: 1. This ensures that the stability of the heat shield tile is not inadmissibly impaired due to the cooling air pockets.
  • the length of the cooling air pockets corresponds to a maximum of 0.27 times the length of the step surface.
  • the cooling air guidance can advantageously be improved by furthermore arranging at least one cooling air groove in the step surface. It is particularly advantageous if two cooling air grooves are used. It is provided here that the cooling air groove or the cooling air grooves extend or extend from the shoulder surface to the cold side.
  • At least one cooling air groove is arranged in the shoulder surface.
  • the cooling air groove extends from the step surface to the end surface. It is also particularly advantageous if at least two cooling air grooves are used.
  • cooling air groove or the cooling air grooves it is advantageous if these are or are spaced apart from the cooling air pockets. This ensures that the cooling air flows along the step surface and the shoulder surface and that the cooling air is not diverted too quickly from the cooling air pockets through the cooling air grooves.
  • two cooling air grooves it is also advantageous if these are arranged spaced apart from one another.
  • a certain distance from the cooling air groove to the cooling air pockets is advantageously maintained.
  • the distance between the cooling air groove and the adjacent cooling air pocket as well as a center of the step surface or the shoulder surface is considered.
  • the distance between the respective cooling air groove and the center of the step surface or shoulder surface corresponds to at least 0.3 times the distance between the cooling air groove and the adjacent cooling air pocket. It is particularly advantageous if the distance between the cooling air groove and the center of the step surface corresponds to at least 0.5 times the distance between the cooling air groove and the adjacent cooling air pocket.
  • the distance between the cooling air groove and the center of the step surface or shoulder surface corresponds to a maximum of 0.9 times, particularly preferably a maximum of 0.7 times the distance from the cooling air groove to the adjacent cooling air pocket.
  • the heat shield tile has a recess at least in sections on the longitudinal edges.
  • the recess is spaced apart from the hot side and also spaced apart from the cold side and extends into the heat shield tile. This enables a fastener to be attached.
  • the recess is arranged starting from the cooling air pocket, i.e. starting from the step surface. This enables cooling air to be routed from the recess to the cooling air pocket or vice versa.
  • the embodiment of the heat shield tile according to the invention with the shoulder on the hot side and the cooling air pockets in the step surface can be used with a metallic heat shield tile.
  • At least the generic combustion chamber has a support structure.
  • a plurality of heat shield elements are arranged in several rows on the support structure.
  • the support structure preferably has a rotational shape.
  • a circumferential row of the heat shield elements is now formed by heat shield tiles as described above in the combustion chamber.
  • the use of the heat shield tiles according to the invention increases the service life of the combustion chamber, so that the necessary inspection interval can be extended compared to known designs.
  • the support structure has a circumferential step ring extending in the inner direction of the combustion chamber.
  • the heat shield tiles are arranged on the support structure in such a way that the respective shoulder extends over the step ring.
  • the step ring is arranged at the downstream end of the combustion chamber or the support structure. This leads to an arrangement of the heat shield tiles in which the shoulder is arranged at the downstream end of the heat shield tiles.
  • the heat shield tile can be supported with the step surface on the step ring in a particularly advantageous manner.
  • An advantageous cooling system can be implemented if the cooling air is supplied into the space between adjacent longitudinal edges of the heat shield tile.
  • the cooling air flows along the depressions in the heat shield tile and on through the cooling air pockets to follow to be able to flow along the step surface or the landing surface.
  • FIG. 1 and 2 an exemplary embodiment of a heat shield tile 01 according to the invention is outlined. A perspective view is shown here with a view of the cold side 03. In contrast, the hot side 02 facing the combustion chamber is concealed on the underside.
  • the Figure 3 the heat shield tile 01 likewise in a perspective view, in this case on the hot side 02, with the cold side 03 correspondingly being on the underside which is not visible in this view.
  • the approximately rectangular shape selected in this exemplary embodiment can be seen with the two longitudinal edges 04, which 04 extend along the longitudinal direction.
  • the side edge 05 which 05 extends in the transverse direction transversely to the longitudinal direction.
  • the longitudinal edges 04 and the side edge 05 here connect the cold side 03 with the hot side 02.
  • the depressions 14 running along the longitudinal edges 04, which 14 enable fastening means to be attached, can also be seen.
  • the heat shield tile 01 has a stepped shape with a shoulder 06 arranged on the hot side 02.
  • This 06 forms a shoulder surface 07 opposite the hot side 02, spaced apart from the cold side (approximately in the middle between the hot side and the cold side).
  • the free end of the shoulder 06 opposite the side edge 05, in connection with the hot side 02 and the step surface 07, is formed by the end surface 09.
  • the step surface 08 extends from the cold side 03 to the shoulder surface 07.
  • the selected shape with the shoulder 06 leads to a shape of the heat shield tile 01 with an increasing material thickness as the distance from the hot side 02 to the cold side 03 with a smaller material thickness on the side edge 05 and a larger material thickness on the step surface 08.
  • the shoulder 06 thus makes it possible in particular to cover a step on the support structure 21 located under the heat shield tile 01.
  • Essential for the present invention is the introduction of two opposite cooling air pockets 11, which 11 extend starting from the step surface 08 to the opposite side edge 05 and starting from the respective longitudinal edge 04 to the center of the heat shield tile 01. These cooling air pockets 11 promote the cooling air guidance with a better distribution of the cooling air along the step surface 08 and the shoulder surface 07.
  • the cooling air pockets 11 are arranged directly adjacent to the shoulder surface 07. It can also be seen that the cooling air pockets 11 in this exemplary embodiment extend along the transverse direction over more than a quarter but over slightly less than a third of the width of the heat shield tile 01 from one longitudinal edge 04 to the opposite one Longitudinal edge 04 extend. In contrast, the width (in the direction from the hot side 02 to the cold side 03) of the cooling air pockets 11 decreases starting from the respective longitudinal edge 04 towards the center.
  • cooling air grooves 12 in the shoulder surface 07 can also be seen, which in this exemplary embodiment extend from the step surface 08 to the inner surface 09 and are spaced apart from the center of the heat shield tile 01 and spaced apart from the cooling air pockets 11.
  • the heat shield tile 01 is sketched again, this view showing the heat shield tile 01 in the side view with a view of a side edge 04.
  • the arrangement of the heat shield tile 01 on a support structure 21 of a combustion chamber is also shown.
  • the approximately wedge-shaped shape with the increasing material thickness can be seen as the distance from the hot side 02 to the cold side 03.
  • the side edge 05 is on the upper side and the shoulder 06 with the end surface 09 on the opposite side is on the lower side Bottom.
  • the heat shield tile 01 rests with the step surface 08 on a step ring 22 of the support structure 21.
  • the shoulder 06 covers the step ring 22.
  • the arrangement of a further heat shield element above the heat shield tile 01 on the support structure 21 is shown schematically.
  • the cooling air pocket 11 can be seen in the side view. This 11 extends from the recess 14 in the side edge 04 in the transverse direction into the heat shield tile 01.
  • the combustion chamber with the support structure 21 usually has a rotational shape and thus the heat shield tiles 01 resting on the support structure 21 also in the transverse direction of the heat shield tiles 01 have a partially rotational shape.
  • the hot side 02 and the cold side 03 as well as the shoulder surface 07 are generally arched and not - as shown here in a simplified manner - designed to be flat.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hitzeschildkachel (01) zur Verwendung in einer Brennkammer einer Gasturbine. Diese weist in einem Längsschnitt betrachtet eine keilförmige Gestalt auf. Die zum Brennraum weisende Seite bildet eine Heißseite (02) und gegenüberliegend befindet sich eine Kaltseite (03). Bei dieser Ausführung ist vorgesehen, dass auf der Heißseite (02) ein Absatz (06) angeordnet ist. Damit ist eine Stufenfläche (08) in der Verbindung von der Kaltseite (03) zum Absatz (06) definiert. Zur Verbesserung der Kühlluftführung ist vorgesehen, dass in der Stufenfläche gegenüberliegend jeweils eine Kühllufttasche (11) vorhanden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Hitzeschildkachel zur Verwendung in einer Brennkammer einer Gasturbine.
  • Hitzeschildkachel zur Verwendung in einer Brennkammer sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. So offenbart beispielsweise die EP 3 017 253 B1 eine Hitzeschildkachel aus einem keramischen Material, wobei diese eine ungefähr quadratische Form aufweist mit einer zum Brennkammerinneren weisenden Heißseite und einer gegenüberliegenden Kaltseite. Hierbei ist vorgesehen, dass die Hitzeschildkachel eine von einem Seitenrand zum gegenüberliegenden Seitenrand ansteigende Dicke aufweist. An demjenigen Seitenrand, an dem die Hitzeschildkachel eine größere Stärke aufweist, ist ein Absatz angeordnet, welcher dazu vorgesehen ist, einen komplementären Absatz in der Brennkammer Tragstruktur zu überlappen.
  • Mit den bekannten Hitzeschildkacheln aus dem Stand der Technik wird in der Regel ein vorteilhafter Schutz der Brennkammer-Tragstruktur ermöglicht. Dabei ist in der Regel unvermindert ein geringer Einsatz von Kühlluft erforderlich, um die Spalte zwischen jeweils zwei Hitzeschildkachel gegen das Eindringen von Heißgas zu sperren.
  • Von geringem Nachteil hat sich jedoch erwiesen, dass der Bereich des Absatzes in manchen Anwendungsfällen eine zu geringe Kühlung aufweist. Insbesondere ist die Kühlluftführung in diesem Bereich aufgrund des Stufen-förmigen Absatzes erschwert.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Schädigung aufgrund der thermischen Belastung zu verringern.
  • Die gestellte Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Hitzeschildkachel nach der Lehre des Anspruchs 1 gelöst. Eine erfindungsgemäße Brennkammer ist im Anspruch 11 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die gattungsgemäße Hitzeschildkachel dient zunächst mal zur Verwendung in einer Brennkammer. Um welche Art von Brennkammer es sich hierbei handelt ist zunächst unerheblich, wobei sich insbesondere die Verwendung bei einer Gasturbine anbietet. Hierbei weist die Hitzeschildkachel eine zum Brennkammerinneren, d.h. zum Brennraum, weisende Heißseite sowie gegenüberliegend eine Kaltseite auf. Dabei ist bestimmungsgemäß vorgesehen, dass die Hitzeschildkachel mit der Kaltseite auf einer Tragstruktur der Brennkammer angeordnet wird. Entsprechend der üblichen Verwendung der Hitzeschildkachel in vielfacher Anordnung weist diese eine Längsrichtung sowie senkrecht zur Längsrichtung eine Querrichtung auf. Dabei ist die Heißseite der Hitzeschildkachel mit der Kaltseite über zwei gegenüberliegende Längsränder verbunden, wobei sich die Längsränder ungefähr in Längsrichtung erstrecken, d.h. entlang der Längsrichtung verlaufen. Weiterhin weist die Hitzeschildkachel einen Seitenrand auf, welcher sich entlang der Querrichtung erstreckt und gleichfalls die Heißseite mit der Kaltseite verbindet. Die Formgebung der Längsränder und des Seitenrandes ist zunächst unerheblich.
  • Weiterhin weist die gattungsgemäße Hitzeschildkachel einen Absatz auf, welcher gegenüberliegend zum Seitenrand auf der Heißseite angeordnet ist. Entsprechend erstreckt sich der Absatz mit der Heißseite über die Kaltseite hinaus. Dabei weist der Absatz am Ende der Hitzeschildkachel gegenüberliegend zum Seitenrand eine Endfläche sowie gegenüberliegend zur Heißseite versetzt zur Kaltseite eine Absatzfläche auf. Die Absatzfläche wird mit der Kaltseite über eine Stufenfläche verbunden.
  • Zur Erhöhung der Lebensdauer der Hitzeschildkachel insbesondere im Bereich des Absatzes ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Hitzeschildkachel in der Stufenfläche zwei gegenüberliegende Kühllufttaschen aufweist. Diese erstrecken sich hierbei ausgehend von den gegenüberliegenden Längsrändern in Querrichtung.
  • Die Kühllufttaschen ermöglichen eine Strömung von Kühlluft in den Bereich der Stufenfläche, sodass im Ergebnis die Hitzeschildkachel im Bereich des Absatzes eine verbesserte Kühlung erfährt.
  • Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Kühllufttaschen zumindest abschnittsweise an die Absatzfläche angrenzen. Somit wird es ermöglicht, dass die durch die Kühllufttaschen strömende Kühlluft im Folgenden entlang der Absatzfläche weiter strömen kann.
  • Weiterhin ist hierbei vorteilhaft vorgesehen, dass die Breite der Kühllufttaschen betrachtet in einer Richtung von der Heißseite zur Kaltseite kontinuierlich vom Längsrand ausgehend in Richtung zu einer Mitte der Hitzeschildkachel abnimmt. Somit wird vorteilhaft die weitere Verteilung der Kühlluft entlang der Absatzfläche sowie der Stufenfläche begünstigt, sowie die Festigkeit und Stabilität der Hitzeschildkachel gewährleistet bleibt.
  • Eine bevorzugte Länge der jeweiligen Kühllufttasche in Querrichtung ist gegeben, wenn diese zumindest der 0,16-fachen Länge der Stufenfläche in Querrichtung beträgt. Im Grenzfall weist somit die Kühllufttasche eine Länge im Verhältnis zum Abstand von der Kühllufttasche zu einer Mitte der Hitzeschildkachel von 1:2 auf. Dabei kann die vorteilhafte Kühlung mit dem Einsatz der Kühllufttaschen gewährleistet werden. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Länge der Kühllufttaschen zumindest dem 0,21-fachen der Länge der Stufenfläche entspricht.
  • Im Gegensatz hierzu ist es vorteilhaft, wenn die Länge der jeweiligen Kühllufttasche in Querrichtung auf das maximal 0,32-fache der Länge der Stufenfläche in Querrichtung begrenzt wird. Im Grenzfall weist analog die Kühllufttasche eine Länge im Verhältnis zum Abstand der Kühllufttaschen zu einer Mitte der Hitzeschildkachel von 2:1 auf. Dieses stellt sicher, dass die Stabilität der Hitzeschildkachel aufgrund der Kühllufttaschen nicht unzulässig beeinträchtigt wird. Hier ist es besonders vorteilhaft, wenn die Länge der Kühllufttaschen maximal der 0,27-fachen Länge der Stufenfläche entspricht.
  • Die Kühlluftführung kann vorteilhaft dadurch verbessert werden, indem weiterhin in der Stufenfläche zumindest eine Kühlluftnut angeordnet wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn zwei Kühlluftnuten verwendet werden. Hierbei ist vorgesehen, dass sich die Kühlluftnut bzw. die Kühlluftnuten von der Absatzfläche zur Kaltseite erstreckt bzw. erstrecken.
  • Alternativ kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass zumindest eine Kühlluftnut in der Absatzfläche angeordnet wird. Dabei erstreckt sich die Kühlluftnut von der Stufenfläche zur Endfläche. Gleichfalls ist es besonders vorteilhaft, wenn zumindest zwei Kühlluftnuten verwendet werden.
  • Beim Einsatz der Kühlluftnut bzw. der Kühlluftnuten ist es vorteilhaft, wenn diese beanstandet zu den Kühllufttaschen angeordnet ist bzw. sind. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Kühlluft entlang der Stufenfläche und der Absatzfläche strömt und keine zu schnelle Ableitung der Kühlluft von den Kühllufttaschen durch die Kühlluftnuten erfolgt. Bei Verwendung von zwei Kühlluftnuten ist es weiterhin vorteilhaft, wenn diese beanstandet zueinander angeordnet werden.
  • In vorteilhafte Weise wird hierbei ein bestimmter Abstand von der Kühlluftnut zu den Kühllufttaschen eingehalten. Entsprechend der gegenüberliegenden Anordnung der Kühllufttaschen wird hierbei der Abstand der Kühlluftnut zur benachbarten Kühllufttasche sowie zu einer Mitte der Stufenfläche bzw. zur Absatzfläche betrachtet.
  • Hierbei ist es vorteilhaft, wenn der Abstand der jeweiligen Kühlluftnut zur Mitte der Stufenfläche bzw. Absatzfläche zumindest dem 0,3-fachen Abstand von der Kühlluftnut zur benachbarten Kühllufttasche entspricht. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Abstand der Kühlluftnut zur Mitte der Stufenfläche zumindest dem 0,5-fachen Abstand von der Kühlluftnut zur benachbarten Kühllufttasche entspricht.
  • Anderseits ist es vorteilhaft, wenn der Abstand der Kühlluftnut zur Mitte der Stufenfläche bzw. Absatzfläche maximal dem 0,9-fachen, besonders bevorzugt maximal dem 0,7-fachen, Abstand von der Kühlluftnut zur benachbarten Kühllufttasche entspricht.
  • Sowohl zur Befestigung der Hitzeschildkachel als auch zur Kühlluftführung ist es vorteilhaft, wenn die Hitzeschildkachel an den Längsrändern jeweils zumindest abschnittsweise eine Vertiefung aufweist. Dabei ist die Vertiefung beabstandet von der Heißseite als auch beabstandet von der Kaltseite und erstreckt sich in die Hitzeschildkachel hinein. Dies ermöglicht die Anbringung eines Befestigungsmittels. Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn die Vertiefung ausgehend von der Kühllufttasche, d.h. ausgehend von der Stufenfläche angeordnet ist. Dies ermöglicht eine Kühlluftführung von der Vertiefung zur Kühllufttasche bzw. umgekehrt.
  • Die erfindungsgemäße Ausführung der Hitzeschildkachel mit dem Absatz auf der Heißseite und den Kühllufttaschen in der Stufenfläche kann bei einer metallischen Hitzeschildkachel eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft ist jedoch die Anbringung der Kühllufttaschen bei einer Hitzeschildkachel, welche aus einem keramischen Material hergestellt ist.
  • Ausgehend von einer erfindungsgemäßen Hitzeschildkachel eröffnet sich die Möglichkeit, eine neuartige erfindungsgemäße Brennkammer zu gestalten.
  • Hierbei handelt es sich in der Regel um eine Brennkammer einer Gasturbine. Gleichfalls kann es sich jedoch auch um eine Brennkammer für einen anderen Verwendungszweck handeln. Zumindest weist die gattungsgemäße Brennkammer eine Tragstruktur auf. Dabei sind auf der Tragstruktur eine Mehrzahl von Hitzeschildelementen in mehreren Reihen angeordnet. Vorzugsweise weist die Tragstruktur eine rotationsförmige Gestalt auf.
  • Erfindungsgemäß wird nunmehr in der Brennkammer eine umlaufende Reihe der Hitzeschildelemente von Hitzeschildkacheln gemäß vorheriger Beschreibung gebildet.
  • Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Hitzeschildkacheln erhöht sich die Lebensdauer der Brennkammer, so dass das notwendige Inspektionsintervall gegenüber bekannten Ausführungen verlängert werden kann.
  • Vorteilhaft ist es hierbei, wenn die Tragstruktur einen umlaufenden sich Richtung Brennkammer inneren erstreckenden Stufenring aufweist. Hierbei sind die Hitzeschildkachel derart an der Tragstruktur angeordnet, dass sich der jeweilige Absatz über den Stufenring erstreckt.
  • Weiterhin ist es von besonderem Vorteil, wenn der Stufenring am stromabwärts-seitigen Ende der Brennkammer bzw. der Tragstruktur angeordnet ist. Dies führt zu einer Anordnung der Hitzeschildkacheln, bei der der Absatz am stromabwärts-seitigen Ende der Hitzeschildkacheln angeordnet ist. Hierbei können sich in besonders vorteilhafte Weise die Hitzeschildkachel mit der Stufenfläche am Stufenring abstützen.
  • Eine vorteilhafte Kühlungsführung kann realisiert werden, wenn die Kühlluftzufuhr in den Zwischenraum zwischen benachbarten Längsrändern der Hitzeschildkachel erfolgt. Dabei strömt die Kühlluft entlang der Vertiefungen in den Hitzeschildkachel und weiter durch die Kühllufttaschen, um im Folgenden entlang der Stufenfläche bzw. der Absatzfläche strömen zu können.
  • In den nachfolgenden Figuren wird eine beispielhafte Ausführungsform für eine erfindungsgemäße Hitzeschildkachel gezeigt. Es zeigen:
    • Fig. 1, 2
    eine perspektivische Ansicht auf die Kaltseite der beispielhaften Hitzeschildkachel;
    Fig. 3
    eine perspektivische Ansicht auf die Heißseite der Hitzeschildkachel;
    Fig. 4
    ein Längsschnitt durch abschnittsweise die Tragstruktur der Brennkammer mit Seitenansicht auf die Hitzeschildkachel.
  • In den Figuren 1 und 2 wird eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hitzeschildkachel 01 skizziert. Dargestellt ist hier eine perspektivische Ansicht mit Blick auf die Kaltseite 03. Verdeckt auf der Unterseite befindet sich demgegenüber die zum Brennraum weisende Heißseite 02.
  • Hierzu zeigt die Figur 3 die Hitzeschildkachel 01 gleichfalls in perspektivischer Ansicht, in diesem Fall auf die Heißseite 02, wobei entsprechend sich die Kaltseite 03 auf der in dieser Ansicht nicht sichtbaren Unterseite befindet.
  • Zu erkennen ist die in diesem Ausführungsbeispiel gewählte ungefähr rechteckige Gestalt mit den beiden Längsrändern 04, welche 04 sich entlang der Längsrichtung erstrecken. In den Darstellungen an der Rückseite befindet sich der Seitenrand 05, welcher 05 sich in Querrichtung quer zur Längsrichtung erstreckt. Die Längsränder 04 und der Seitenrand 05 verbinden hierbei die Kaltseite 03 mit der Heißseite 02. Weiterhin zu erkennen sind die entlang der Längsränder 04 verlaufenden Vertiefungen 14, welche 14 die Anbringung von Befestigungsmitteln ermöglichen.
  • Gegenüberliegend vom Seitenrand 05 weist die Hitzeschildkachel 01 eine stufenförmige Gestalt mit einem an der Heißseite 02 angeordneten Absatz 06 auf. Dieser 06 bildet gegenüberliegend zur Heißseite 02 beabstandet zur Kaltseite eine Absatzfläche 07 (ungefähr mittig zwischen der Heißseite und der Kaltseite). Das freie Ende des Absatzes 06 gegenüberliegend zum Seitenrand 05, in Verbindung mit der Heißseite 02 und der Stufenfläche 07 wird von der Endfläche 09 gebildet. Versetzt zur Endfläche 09 erstreckt sich die Stufenfläche 08 von der Kaltseite 03 zur Absatzfläche 07.
  • Die gewählte Gestalt mit dem Absatz 06 führt in diesem Ausführungsbeispiel zu einer Gestalt der Hitzeschildkachel 01 mit einer zunehmenden Materialstärke als Abstand von der Heißseite 02 zur Kaltseite 03 mit einer kleineren Materialstärke am Seitenrand 05 und einer größeren Materialstärke an der Stufenfläche 08.
  • Der Absatz 06 ermöglicht somit insbesondere die Abdeckung einer Stufe an der unter den Hitzeschildkachel 01 befindlichen Tragstruktur 21.
  • Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist die Einbringung von zwei gegenüberliegenden Kühllufttaschen 11, welche 11 sich ausgehend von der Stufenfläche 08 zum gegenüberliegenden Seitenrand 05 sowie ausgehend vom jeweiligen Längsrand 04 zur Mitte der Hitzeschildkachel 01 erstrecken. Diese Kühllufttaschen 11 begünstigen die Kühlluftführung mit einer besseren Verteilung der Kühlluft entlang der Stufenfläche 08 sowie der Absatzfläche 07.
  • Dabei sind die Kühllufttaschen 11 unmittelbar benachbart zur Absatzfläche 07 angeordnet. Weiterhin zu erkennen ist, dass sich die Kühllufttaschen 11 in diesem Ausführungsbeispiel entlang der Querrichtung über mehr als ein Viertel dabei aber über etwas weniger als ein Drittel der Breite der Hitzeschildkachel 01 von einem Längsrand 04 zum gegenüberliegenden Längsrand 04 erstrecken. Demgegenüber nimmt die Breite (in Richtung von der Heißseite 02 zur Kaltseite 03) der Kühllufttaschen 11 ausgehend vom jeweiligen Längsrand 04 zur Mitte hin ab.
  • Weiterhin zu erkennen ist die Einbringung zweier Kühlluftnuten 12 in der Absatzfläche 07, welche 12 sich in diesem Ausführungsbeispiel von der Stufenfläche 08 bis zur Innenfläche 09 erstrecken und hierbei beanstandet von der Mitte der Hitzeschildkachel 01 und beanstandet zu den Kühllufttaschen 11 angeordnet sind.
  • In der Figur 4 wird nochmals die Hitzeschildkachel 01 skizziert, wobei dieser Ansicht die Hitzeschildkachel 01 in der Seitenansicht mit Blick auf einen Seitenrand 04 zu erkennen ist. Weiterhin dargestellt ist die Anordnung der Hitzeschildkachel 01 an einer Tragstruktur 21 einer Brennkammer. Zu erkennen ist hierbei die ungefähr keilförmige Gestalt mit der zunehmenden Materialstärke als Abstand von der Heißseite 02 zur Kaltseite 03. Der Seitenrand 05 befindet sich in dieser Ansicht an der Oberseite und gegenüberliegend an der unteren Seite befindet sich der Absatz 06 mit der Endfläche 09 an der Unterseite. Weiterhin zu erkennen ist, dass die Hitzeschildkachel 01 mit der Stufenfläche 08 auf einem Stufenring 22 der Tragstruktur 21 aufliegt. Entsprechend überdeckt der Absatz 06 den Stufenring 22. Dargestellt ist schematisch die Anordnung eines weiteren Hitzeschildelements oberhalb der Hitzeschildkachel 01 an der Tragstruktur 21.
  • In der Seitenansicht ist die Kühllufttasche 11 zu erkennen. Diese 11 erstreckt sich ausgehend von der Vertiefung 14 im Seitenrand 04 in Querrichtung in die Hitzeschildkachel 01 hinein.
  • Abschließend sei darauf hingewiesen, dass die Brennkammer mit der Tragstruktur 21 gewöhnlich eine rotationsförmige Gestalt aufweist und somit die an der Tragstruktur 21 anliegenden Hitzeschildkacheln 01 ebenso in Querrichtung der Hitzeschildkacheln 01 eine abschnittsweise rotationsförmige Gestalt aufweisen. Somit ist die Heißseite 02 und die Kaltseite 03 sowie die Absatzfläche 07 in der Regel gewölbt und nicht - wie hier vereinfacht dargestellt - eben ausgeführt.

Claims (14)

  1. Hitzeschildkachel (01) zur Verwendung in einer Brennkammer, insbesondere einer Gasturbine, mit einer Heißseite (02), welche (02) bestimmungsgemäß zu einem Brennraum weisend angeordnet ist, und mit einer gegenüberliegenden Kaltseite (03), welche (03) bestimmungsgemäß zu einer Tragstruktur weisend angeordnet ist, und mit einer Längsrichtung und einer Querrichtung, wobei die Heißseite (02) mit der Kaltseite (03) über zwei gegenüberliegende entlang der Längsrichtung verlaufende Längsränder (04) und über einen entlang der Querrichtung verlaufenden Seitenrand (05) miteinander verbunden ist, wobei gegenüberliegend vom Seitenrand (05) auf der Heißseite (02) ein sich über die Kaltseite (03) hinaus erstreckender Absatz (06) angeordnet ist, wobei der Absatz (06) gegenüberliegend zur Heißseite (02) eine Absatzfläche (07) und gegenüberliegend zum Seitenrand eine Endfläche (09) bildet und sich eine Stufenfläche (08) von der Absatzfläche (07) zur Kaltseite (03) erstreckt,
    gekennzeichnet
    durch zwei in der Stufenfläche (08) gegenüberliegend angeordnete sich jeweils ausgehend von einem Längsrand (04) in Querrichtung erstreckende Kühllufttaschen (11).
  2. Hitzeschildkachel (01) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kühllufttaschen (11) zumindest abschnittsweise an die Absatzfläche (07) angrenzen.
  3. Hitzeschildkachel (01) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass jeweils die Breite der Kühllufttasche (11) kontinuierlich vom Längsrand (04) ausgehend abnimmt.
  4. Hitzeschildkachel (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass jeweils die Länge der Kühllufttasche (11) in Querrichtung zumindest der 0,16-fachen, insbesondere zumindest der 0,21-fachen, Länge der Stufenfläche (08) beträgt; und/oder
    dass jeweils die Länge der Kühllufttasche (11) in Querrichtung maximal der 0,32-fachen, insbesondere maximal der 0,27-fachen, Länge der Stufenfläche (08) beträgt.
  5. Hitzeschildkachel (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet
    durch zumindest eine, insbesondere zumindest zwei, in der Stufenfläche (08) von der Absatzfläche (07) zur Kaltseite (03) verlaufende Kühlluftnuten (12).
  6. Hitzeschildkachel (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet
    durch zumindest eine, insbesondere zumindest zwei, in der Absatzfläche (07) von der Stufenfläche (08) zur Endfläche (09) verlaufende Kühlluftnuten (13).
  7. Hitzeschildkachel (01) nach Anspruch 5 oder 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kühlluftnut (12) beabstandet von den Kühllufttaschen (11) angeordnet ist respektive
    dass die Kühlluftnuten (12) beabstandet voneinander und beabstandet von den Kühllufttaschen (11) angeordnet sind.
  8. Hitzeschildkachel (01) nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Abstand der Kühlluftnut (12) zu einer Mitte der Stufenfläche (08) zumindest dem 0,3-fachen, insbesondere zumindest dem 0,5-fachen, Abstand der Kühlluftnut (12) zur benachbarten Kühllufttasche (11) entspricht; und/oder dass der Abstand der Kühlluftnut (12) zu einer Mitte der Stufenfläche (08) maximal dem 0,9-fachen, insbesondere maximal dem 0,7-fachen, Abstand der Kühlluftnut (12) zur benachbarten Kühllufttasche (11) entspricht.
  9. Hitzeschildkachel (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Längsränder (04) jeweils von der jeweiligen Kühllufttasche (11) ausgehend eine zumindest abschnittsweise in Längsrichtung verlaufende Vertiefung (14), insbesondere zur bestimmungsgemäßen Anbringung von Befestigungsmittel, aufweisen.
  10. Hitzeschildkachel (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Hitzeschildkachel (01) aus einem keramischen Material besteht.
  11. Brennkammer, insbesondere einer Gasturbine, mit einer, insbesondere rotationsförmigen, Tragstruktur (21) und mit einer Mehrzahl in Reihen umlaufend auf der Tragstruktur angeordneten Hitzeschildelementen,
    gekennzeichnet
    durch eine umlaufende Reihe gebildet aus Hitzeschildkachel gemäß einer der vorhergehenden Ansprüche.
  12. Brennkammer nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Tragstruktur (21) einen umlaufenden Stufenring (22) aufweist, welcher (22) vom Absatz (06) abgedeckt wird.
  13. Brennkammer nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Stufenring (22) am stromabwärts-seitigen Ende der Brennkammer angeordnet ist.
  14. Brennkammer nach einer der Anspruche 11 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Kühlluftzufuhr in den Zwischenraum zwischen benachbarten Längsrändern (04) der Hitzeschildkacheln (01) vorhanden ist, wobei die Kühlluft entlang der Vertiefungen (14) und weiter durch die Kühllufttaschen, und insbesondere weiter entlang dem Eckbereich von Absatzfläche (07) und Stufenfläche (08), und insbesondere weiter durch die zumindest eine Kühlluftnut (12, 13) geführt werden kann.
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