EP3894749B1

EP3894749B1 - Brennkammer

Info

Publication number: EP3894749B1
Application number: EP19842583.7A
Authority: EP
Inventors: Matthias Gralki; Claus Krusch; Daniel Schmidt
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2019-01-17
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2023-11-22
Anticipated expiration: 2039-12-16
Also published as: EP3894749A1; KR20210113348A; WO2020148045A1; DE102019200593A1; US20220099296A1; CN113396304A; US11821629B2; CN113396304B

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer, insbesondere eine solche einer Gasturbine, mit einer Tragstruktur, einer Vielzahl von an der Tragstruktur befestigten Halteelementen und einer Vielzahl von gemeinsam ein Hitzeschild bildenden, jeweils eine Heißgasseite, eine Kaltgasseite und die Heißgasseite und die Kaltgasseite miteinander verbindende Stirnseiten aufweisenden Hitzeschildelementen, wobei die Halteelemente formschlüssig in an den Hitzeschildelementen vorgesehene Ausnehmungen eingreifen.
Die Brennkammern von beispielsweise Gasturbinen sind aufgrund der während des Betriebs vorherrschenden hohen Temperaturen mit einem Hitzeschild versehen, das die Gehäusewandung der Brennkammer vor der heißen Atmosphäre im Brennraum der Brennkammer schützt. Hitzeschilde, die Heißgasen mit Temperaturen von beispielsweise etwa 1000°C bis etwa 1600°C widerstehen können, sind beispielsweise aus der DE 10 2017 206 502 A1 bekannt. Derartige Hitzeschilde sind aus vielen einzelnen flächigen Hitzeschildelementen zusammengesetzt. Je nachdem, ob metallische oder keramische Hitzeschildelemente verwendet werden, spricht man von einem metallischen Hitzeschild, dem sogenannten "Metallic Heat Shield" MHS, oder einem keramischen Hitzeschild, dem sogenannten "Ceramic Heat Shield" CHS. Die Hitzeschildelemente sind unter Freilassung von Spalten zwischen den Stirnseiten benachbarter Hitzeschildelemente nebeneinanderliegend positioniert. Diese Spalte stellen sicher, dass sich die Hitzeschildelemente während des Betriebs der Brennkammer in Umfangsrichtung des Hitzeschilds thermisch ausdehnen können. Zwischen der Tragstruktur und den Hitzeschildelementen ist indes nur ein kleiner Spalt belassen. Zur Fixierung eines Hitzeschildelementes an der Tragstruktur der Brennkammer werden aus Metall hergestellte, auch als Steinhalter bezeichnete Halteelemente eingesetzt. Diese umfassen eine C-förmige Grundform mit zwei C-Schenkeln, nämlich einen zur Befestigung an der Tragstruktur ausgebildeten langen Befestigungsschenkel und einen zum Eingriff in eine stirnseitige Halteausnehmung des Hitzeschildelements ausgebildeten kurzen Eingriffsschenkel, die über einen Steg miteinander verbundenen sind. Der Befestigungsschenkel liegt auf der Tragstruktur auf und ist endseitig mit dieser verschraubt.
Das Hauptziel bei der Weiterentwicklung moderner stationärer Gasturbinen besteht in der Steigerung der Wandlungseffizienz, die zum einen von der Heißgastemperatur und zum anderen von dem zur Kühlung der metallischen Gasturbinenkomponenten benötigten Kühlluftvolumenstrom abhängt. Je höher die Heißgastemperatur ist, desto effizienter arbeitet die Gasturbine. Je höher jedoch der Kühlluftvolumenstrom zum Schutz der metallischen Komponenten ist, desto geringer ist die Effizienz. Insbesondere bedürfen die zuvor genannten Halteelemente einer ausreichenden Kühlung, um ihre Funktion bei den vorherrschenden hohen Temperaturen dauerhaft gewährleisten zu können. Der für diese Kühlung erforderliche Kühlluftvolumenstrom, der zwischen der Tragstruktur und den Hitzeschildelementen hindurchgeleitet wird und durch die zwischen den Hitzeschildelementen vorhandenen Spalte in die Brennkammer als Sperrluft austritt, muss von dem vom Kompressor zur Verfügung gestellten Hauptkühlluftvolumenstrom abgezweigt werden und steht entsprechend nicht für den Verbrennungsprozess und damit nicht zur Leistungsgenerierung der Gasturbine zur Verfügung. Die Größe der Spalte hat dabei einen starken Einfluss auf den benötigten Kühlluftvolumenstrom. Je kleiner die Spalte sind, desto geringer ist der zur Erzielung der Sperrwirkung erforderliche Kühlluftvolumenstrom.
Eine Brennkammer gemäß dem Stand der Technik ist aus der DE 10 2016 214 818 A1 bekannt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkammer der eingangs genannten Art hinsichtlich ihrer Effizient weiter zu optimieren.
Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung eine Brennkammer der eingangs genannten Art, bei der die Halteelemente jeweils zumindest zwei zum formschlüssigen Eingriff in die Ausnehmungen eines Hitzeschildelementes ausgebildete Eingriffsabschnitte aufweisen, die derart zugsteif miteinander verbunden sind, dass bei den während des Brennkammerbetriebs vorherrschenden Temperaturen einer Auseinanderbewegung der Eingriffsabschnitte effektiv entgegengewirkt wird, wobei sich zwischen der Tragstruktur und den Hitzeschildelementen als Blattfedern ausgebildete Federelemente erstrecken, die einen Kraftschluss zwischen den Eingriffsabschnitten der Halteelemente und den Hitzeschildelementen bewirken, wobei die Eingriffsabschnitte selbst derart zugsteif ausgebildet sind, dass sie bei den während des Brennkammerbetriebs vorherrschenden Temperaturen unter Einwirkung der Federkräfte formstabil sind. Ein wesentlicher Vorteil, der mit einer erfindungsgemäß aufgebauten Brennkammer einhergeht, besteht darin, dass sich insbesondere die Spaltgröße zwischen benachbarten Hitzeschildelementen signifikant reduzieren lässt. Die liegt zum einen daran, dass zwischen der Tragstruktur und den Hitzeschildelementen ausreichend Platz derart belassen werden kann, dass sich die Hitzeschildelemente während des Brennkammerbetriebs in radialer Richtung frei ausdehnen können, wodurch ihre Ausdehnung in Umfangsrichtung reduziert wird. Zum anderen wird zusätzlichen, durch eine Verformung der Halteelemente bedingten Bewegungen der Hitzeschildelemente dank der zugsteifen Ausbildung der Halteelemente effektiv entgegengewirkt. Im Ergebnis kann die maximale Temperatur, bei der die Brennkammer betrieben werden kann, heraufgesetzt werden, beispielsweise bis 1600°C, was eine Leistungsverbesserung nach sich zieht. Gleichzeitig kann der Kühlluftvolumenstrom dank der schmaleren Spalte zwischen den Hitzeschildelementen um schätzungsweise bis zu 50% verringert werden, was ebenfalls der Leistungsverbesserung zuträglich ist. Darüber hinaus können dank der verbesserten thermischen Abschirmung der Halteelemente auch die Wartungsintervalle erhöht werden.
Bevorzugt sind die Ausnehmungen an den Kaltseiten der Hitzeschildelemente ausgebildet. Dies hat gegenüber stirnseitig angeordneten Ausnehmungen den Vorteil, dass die in die Ausnehmungen eingreifenden Eingriffsabschnitte der Halteelemente thermisch besser abgeschirmt sind und auch besser von der Kühlluft gekühlt werden können.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Tragstruktur mit sich umfänglich erstreckenden Aufnahmenuten zur Aufnahme der Halteelemente versehen, wodurch die Montage und die Befestigung der Halteelemente verbessert werden.
Vorteilhaft sind umfänglich benachbart zueinander angeordnete Halteelemente über Verbindungselemente lösbar miteinander verbunden. Derartige Verbindungselemente dienen zum Toleranzausgleich in Umfangsrichtung. Die Verbindungselemente sind insbesondere mit der Tragstruktur verschraubt, um die Halteelemente und damit die Hitzeschildelemente in Umfangsrichtung der Brennkammer zu positionieren.
Bevorzugt weisen die Aufnahmenuten einen mit Hinterschneidungen versehenen Querschnitt auf, wobei die Halteelemente und/oder die Verbindungselemente formschlüssig in den Aufnahmenuten aufgenommen sind. Auf diese Weise werden die Halteelemente und damit die Hitzeschildelemente in radialer sowie in axialer Richtung der Brennkammer gesichert.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weisen die Halteelemente einen zur Tragstruktur weisenden, zugsteif ausgebildeten Befestigungsabschnitt und zumindest zwei von dem Befestigungsabschnitt vorstehende, insbesondere einteilig mit diesem ausgebildete Eingriffsabschnitte auf, wobei jedes Hitzeschildelement eine zumindest der Anzahl der Eingriffsabschnitte eines Halteelementes entsprechende Anzahl von kaltgasseitigen Ausnehmungen aufweist, und wobei jeder Eingriffsabschnitt formschlüssig in eine der Ausnehmungen eingreift. Aus diese Weise wird ein sehr einfacher Aufbau realisiert.
Bevorzugt sind die kaltgasseitigen Ausnehmungen der Hitzeschildelemente länglich ausgebildet und definieren jeweils einen Einsetzbereich und einen sich in Längsrichtung an diesen anschließenden Eingriffsbereich, wobei der Einsetzbereich derart ausgebildet ist, dass sich ein zugeordneter Eingriffsabschnitt eines Halteelementes radial in diesen einsetzen lässt, der Eingriffsbereich zur formschlüssigen Aufnahme des Eingriffsabschnittes ausgelegt ist, und der Einsetzbereich und der Eingriffsbereich derart ausgebildet sind, dass sich ein in den Einsetzbereich radial eingesetzter Eingriffsabschnitt durch Verschiebung in Längsrichtung in den Eingriffsbereich überführen lässt. Ein derartiger Aufbau zieht eine einfache Montage nach sich.
Der Befestigungsabschnitt ist bevorzugt in Form einer länglichen, insbesondere kreisringsegmentartig gebogenen Platte ausgebildet, wobei die Eingriffsabschnitte im Bereich der freien Enden des Befestigungsabschnittes vorgesehen sind.
Die Eingriffsabschnitte stehen vorteilhaft in einem Winkel von dem Befestigungsabschnitt vor, der von 90° verschieden ist. Alternativ oder zusätzlich können die Eingriffsabschnitte mit aufeinander zu oder voneinander weg weisenden Endbereichen versehen sein.
Vorteilhaft ist der Befestigungsabschnitt an seiner zum Hitzeschildelement weisenden Oberseite mit einer Vertiefung versehen, die zur Aufnahme zumindest eines der Federelemente ausgelegt ist. Entsprechend kann das zumindest eine Federelement während der Montage einfach positioniert werden und behält auch anschließend seine Positionierung bei.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist zumindest ein Federelement jeweils derart durch eine am Befestigungsabschnitt ausgebildete Durchgangsöffnung hindurchgeführt, dass sich dieses in einem mittleren Bereich gegen die Tragstruktur abstützt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil einer geringeren Biegebeanspruchung des Befestigungsabschnitts. Infolge der biegesteifen Gegenfläche der Tragstruktur wird der Vorspannverlust der Federelemente infolge Kriechverformung des stützenden Befestigungsabschnitts reduziert.
Vorteilhaft sind die Befestigungsabschnitte der Halteelemente und die Federelemente mit korrespondierend angeordneten Langlöchern versehen, durch die Zuganker eingesetzt werden können, um die Federelemente in Richtung der Befestigungsabschnitte zu ziehen. Derartige Zuganker werden dazu verwendet, die Federkraft des zumindest einen Federelementes zu überwinden, während das Halteelement und das zumindest eine Federelement an einem Hitzeschildelement montiert werden. Nach der Montage werden die Zuganker dann wieder entfernt, um den gewünschten Kraftschluss zwischen den Eingriffsabschnitten des Halteelementes und dem Hitzeschildelement zu erzeugen.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist jedes Hitzeschildelement über zwei Halteelemente an der Tragstruktur gehalten, insbesondere über genau zwei Halteelemente.
Vorteilhaft ist die Formgebung der Halteelemente unter Einsatz eines Gießprozesses oder eines additiven Fertigungsverfahrens erfolgt, optional mit sich anschließender mechanischer Bearbeitung. Die erfindungsgemäßen Halteelemente sind also im Gegensatz zu den Halteelementen, die in der DE 10 2017 206 502 beschrieben sind, nicht aus einem ausgestanzten Blech gebogen. Derartige aus Blech gebogene Halteelemente weisen auch nicht die erfindungsgemäß erforderliche Zugsteifigkeit in Umfangsrichtung und in radialer Richtung auf.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung von Brennkammern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist

Figur 1: eine geschnittene Teilansicht einer Brennkammer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 2: eine teilweise gläsern dargestellte perspektivische Unteransicht der in Figur 1 gezeigten Anordnung;
Figur 3: eine weitere teilweise gläsern dargestellte perspektivische Unteransicht der in Figur 1 gezeigten Anordnung;
Figur 4: eine teilweise gläsern dargestellte perspektivische Draufsicht der in Figur 1 gezeigten Anordnung;
Figur 5: eine perspektivische Teilunteransicht der in Figur 1 dargestellten Anordnung während der Montage;
Figur 6: eine vergrößerte perspektivische Teilansicht der in Figur 1 dargestellten Anordnung während der Montage;
Figur 7: eine teilweise gläserne perspektivische Teilansicht einer Brennkammer gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
Figur 8: eine perspektivische Unteransicht der in Figur 7 gezeigten Anordnung.

Gleiche Bezugsziffern beziehen sich nachfolgend auf gleiche oder gleichartig ausgebildete Bauteile bzw. Bauteilbereiche.
Die Figuren 1 bis 6 zeigen eine Brennkammer 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der es sich vorliegend um die Brennkammer einer Gasturbine handelt. Die Brennkammer 1 umfasst eine Tragstruktur 2, eine Vielzahl von an der Tragstruktur 2 befestigten Halteelementen 3, eine Vielzahl von Verbindungselementen 4, welche in Umfangsrichtung U benachbart angeordnete Halteelemente 3 miteinander verbinden, eine Vielzahl von gemeinsam ein Hitzeschild bildenden, jeweils eine Heißgasseite 5, eine Kaltgasseite 6 und die Heißgasseite 5 und die Kaltgasseite 6 miteinander verbindende Stirnseiten 7 aufweisenden Hitzeschildelementen 8, wobei die Halteelemente 3 formschlüssig in an den Hitzeschildelementen 8 vorgesehene Ausnehmungen 9 eingreifen, und sich zwischen der Tragstruktur 2 und den Hitzeschildelementen 8 erstreckende, an den Halteelementen 3 gehaltene Federelemente 10, die vorliegend in Form von wellenförmig gebogenen Blattfedern vorgesehen sind.
Die Tragstruktur 2 ist aus Metall gefertigt und ist mit einer Vielzahl von sich umfänglich erstreckenden und parallel zueinander angeordneten Aufnahmenuten 11 versehen, die einen mit Hinterschneidungen versehenen Querschnitt haben, vorliegend einen solchen mit treppenstufenförmig ausgebildeten Nutwänden, der sich vom Nutgrund zur Nutöffnung verkleinert. Die Aufnahmenuten 11 dienen zur Aufnahme der Halteelemente 3 sowie der Verbindungselemente 4, wie es nachfolgend noch näher beschrieben ist. Nur die Verbindungselemente 4 weisen jedoch einen zum Querschnitt der Aufnahmenuten 11 korrespondierenden Querschnitt auf, so dass sie nach dem Einsetzen in eine der Aufnahmenuten 11 entsprechend in radialer Richtung R sowie in axialer Richtung A durch Formschluss gesichert sind. Die Halteelemente 3 sind nach dem Einsetzen in eine Aufnahmenut 11 indes nur in axialer Richtung A durch Formschluss gesichert.
Die Halteelemente 3 sind einteilig aus Metall hergestellt und weisen im Wesentlichen eine U-Form auf, die durch einen Befestigungsabschnitt 12 in Form einer länglichen, kreisringsegmentartig gebogenen Platte und zwei von den Endbereichen des Befestigungsabschnitts 12 vorstehende Eingriffsabschnitte 13 gebildet wird. Der Befestigungsabschnitt 12 dient zur Befestigung des Halteelementes 3 in einer der Aufnahmenuten 11 der Tragstruktur 2. Die Breite des Befestigungsabschnittes 12 ist hierfür an die Breite der Aufnahmenuten 11 angepasst. Die Seitenwände des Befestigungsabschnitts 12 sind geradlinig ohne Vorsprünge ausgebildet, so dass sich der Befestigungsabschnitt 12 radial in eine der Aufnahmenuten 11 einsetzen lässt. Die Eingriffselemente 13 sind über den Befestigungsabschnitt 12 derart zugsteif miteinander verbunden, dass bei den während des Brennkammerbetriebs vorherrschenden Temperaturen einer Auseinanderbewegung der Eingriffsabschnitte 13 effektiv entgegengewirkt wird. Ferner sind die Eingriffsabschnitte 13 selbst derart zugsteif ausgebildet, dass sie bei den während des Brennkammerbetriebs vorherrschenden Temperaturen unter Einwirkung der Federkräfte der Federelemente 10 formstabil sind. Diese Zugfestigkeiten werden in erster Linie durch eine geeignete Dimensionierung der den Befestigungsabschnitt 12 und die Eingriffsabschnitte 13 definierenden Stege erzielt. Die Eingriffsabschnitte 13 stehen in einem Winkel α von dem Befestigungsabschnitt 12 vor, der von 90° verschieden ist und vorliegend etwa 60° beträgt, so dass die Eingriffsabschnitte 13 zueinander geneigt sind. Zur Aufnahme von vorliegend jeweils zwei Federelementen 10 umfasst jedes Halteelement 3 im mittleren Bereich seines Befestigungsabschnitts 12 eine längliche Durchgangsöffnung 14, die sich ausgehend von der Oberseite des Befestigungsabschnitts 12, von der die Eingriffsabschnitte 13 vorstehen, zur gegenüberliegenden Unterseite erstreckt. Die Durchgangsöffnung wird in Querrichtung etwa mittig durch einen Trennsteg 15 unterteilt, der sich jedoch nur im oberen Bereich der Durchgangsöffnung 14 erstreckt. Dieser Trennsteg dient dazu, ein versehentliches Herausfallen der wie in Figur 1 gezeigt in die Durchgangsöffnung 14 eingesetzten Federelemente 10 zu verhindern. Beidseitig der Durchgangsöffnung 14 erstrecken sich Langlöcher 16 durch den Befestigungsabschnitt 12 von dessen Oberseite zu dessen Unterseite, die im eingesetzten Zustand der Federelemente 10 mit Langlöchern 17 fluchten, die im Bereich der freien Enden der Federelemente 10 ausgebildet sind. Diese Langlöcher 16 und 17 dienen während der Montage zum Einführen eines Zugankers, wie es nachfolgend unter Bezugnahme auf Figur 5 noch näher erläutert wird. Die freien Enden des Befestigungsabschnitts sind jeweils zur Aufnahme eines Verbindungselementes 4 ausgelegt. Das linke freie Ende des in Figur 1 vollständig dargestellten Befestigungsabschnitts 12 ist dabei derart ausgestaltet, dass es in Umfangsrichtung U unter Bildung eines Formschlusses in eine erste Stirnseite eines Verbindungselementes 4 eingeschoben und mit der Tragstruktur 2 derart verschraubt werden kann, dass sowohl das Halteelement 3 als auch das entsprechende Verbindungselement 4 gegen eine Bewegung in Umfangsrichtung U gesichert werden und das Halteelement in radialer Richtung R fixiert wird, wozu eine entsprechende Schraubenbohrung 18 vorgesehen ist. Das rechte freie Ende des in Figur 1 vollständig dargestellten Befestigungsabschnitts 12 ist derart ausgestaltet, dass eine zweite Stirnseite eines Verbindungselementes 4 in Umfangsrichtung U in dieses unter Bildung eines das Halteelement 3 radial fixierenden Formschlusses eingeschoben werden kann. Die Formgebung der Halteelemente 3 ist vorliegend unter Einsatz eines Gießprozesses erfolgt, an den sich eine mechanische Bearbeitung angeschlossen hat. Der Gießprozess kann grundsätzlich aber auch durch ein additives Fertigungsverfahren ersetzt werden.
Die Hitzeschildelemente 8 sind vorliegend als CHS-Hitzeschildelemente ausgebildet und weisen eine vollständig geschlossene Heißgasseite 5 auf. Die Ausnehmungen 9, in welche die Eingriffsabschnitte 13 der Halteelemente 3 eingreifen, sind an der Kaltgasseite 6 der Hitzeschildelemente 8 vorgesehen. Jedes Hitzeschildelement 8 umfasst vorliegend zwei sich parallel zueinander erstreckende längliche Ausnehmungen 9, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind, der dem Abstand zwischen den Eingriffsabschnitten 13 eines Halteelementes 3 entspricht. Jede Ausnehmung 9 definiert einen Einsetzbereich 19 und einen sich in Längsrichtung an diesen anschließenden Eingriffsbereich 20. Der Einsetzbereich 19 ist derart ausgebildet, dass sich ein zugeordneter Eingriffsabschnitt 13 eines Halteelementes 3 radial in diesen einsetzen lässt. Der Eingriffsbereich 20 ist indes zur formschlüssigen Aufnahme des entsprechenden Eingriffsabschnittes 13 ausgelegt, wobei der Einsetzbereich 19 und der Eingriffsbereich 20 derart ausgebildet sind, dass sich ein in den Einsetzbereich 19 radial eingesetzter Eingriffsabschnitt 13 durch Verschiebung in Längsrichtung in den Eingriffsbereich 20 überführen lässt, siehe hierzu insbesondere Figur 3. Zur Aufnahme von bei der Montage verwendeten Zugankern sind an der Kaltgasseite 6 vier Einbuchtungen 21 vorgesehen, deren Positionen an die Positionen der freien Enden der Federelemente 10 im montierten Zustand angepasst sind. Im Übergangsbereich zwischen den Stirnseiten 7 und der Kaltseite 6 sind an denjenigen Positionen, die im montierten Zustand die Schraubenbohrungen 18 der Halteelemente 3 überdecken, vier Aussparungen 22 ausgebildet, die es ermöglichen, die in die Schraubenbohrungen 18 eingesetzten Befestigungsschrauben ein- und auszudrehen.
Zur Montage eines Hitzeschildelements 8 werden zwei Halteelemente 3 und vier Federelemente 10 benötigt. In einem ersten Schritt werden je zwei Federelemente 10 in die Durchgangsöffnung 14 eines Halteelementes 4 eingesetzt. In einem zweiten Schritt werden Zuganker 23 durch die Langlöcher 16 des Befestigungsabschnitts 12 und die Langlöcher 17 der Federelemente 10 eingesetzt und die freien Enden der Federelemente 10 unter Verwendung der Zuganker 23 in Richtung des Befestigungsabschnitts 12 gezogen, wie es in Figur 5 gezeigt ist. Anschließend werden die Eingriffsabschnitte der so präparierten Halteelemente 3 in die Einsetzbereiche 19 der zugehörigen Ausnehmungen 9 der Hitzeschildelemente 8 eingesetzt und dann in Längsrichtung in die Einsetzbereiche 19 geschoben, so dass die Einsetzabschnitte 13 der Halteelemente 3 formschlüssig in den Eingriffbereichen 20 der Ausnehmungen 9 gehalten sind. Nunmehr werden die Zuganker 23 wieder gelöst, woraufhin die freien Enden der Federelemente 10 gegen die Kaltgasseite 6 des Hitzeschildelementes 8 drücken. Auf diese Weise wird zusätzlich zu dem Formschluss ein Kraftschluss zwischen den Halteelementen 3 und dem Hitzeschildelement 8 erzielt. In einem weiteren Schritt werden je zwei Verbindungselemente 4 in benachbarte Aufnahmenuten 11 eingeschoben und jeweils in Umfangsrichtung U in einem Abstand zueinander und in axialer Richtung A etwa parallel zueinander positioniert. Zwischen den beiden jeweils in einer Aufnahmenut 11 angeordneten Verbindungselementen 4 werden nun die Befestigungsabschnitte 12 der Halteelemente 3 radial in die Aufnahmenuten 11 eingesetzt. Daraufhin werden die Befestigungsabschnitte 12 der Halteelemente 3 mit den jeweiligen Verbindungselementen 4 durch Bewegung der entsprechenden Komponenten in Umfangsrichtung U miteinander in Eingriff gebracht, wobei Schraubenbohrungen 18 der der Halteelemente 3 fluchtend mit nicht näher dargestellten Gewindebohrungen positioniert werden, die in der Tragstruktur 2 vorgesehen sind. Anschließend werden Befestigungsschrauben in die Schraubenbohrungen 18 der der Halteelemente 3 eingesetzt und mit den Gewindebohrungen verschraubt. Nunmehr kann die Montage des nächsten Hitzeschildelementes 8 folgen, wie es in den Figuren 1, 2 und 4 gezeigt ist.
Die zuvor beschriebene Anordnung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Spaltbreite B zwischen benachbart angeordneten Hitzeschildelementen 8 sehr klein gewählt werden kann. Dies liegt vornehmlich zum einen an der zugsteifen Ausbildung der Halteelemente 3 und zum anderen an der Tatsache, dass die Hitzeschildelemente 8 mit vergleichsweise großem Abstand zur Tragstruktur 2 positioniert sind, weshalb sich die Hitzeschildelemente 8 während des Brennkammerbetriebs problemlos in radialer Richtung R ausdehnen können. Dank der geringen Spaltbreite B ist nur ein geringer Sperrluftvolumenstrom erforderlich, was mit einer deutlich gesteigerten Effizienz der Gasturbine einhergeht. Darüber hinaus sind die Halteelemente 3 aufgrund der Tatsache, dass die Ausnehmungen 9 an der Kaltgasseite 6 der Hitzeschildelemente 8 vorgesehen sind, vollständig durch die Hitzeschildelemente 8 verdeckt und entsprechend besser thermisch geschützt, so dass auch der Kühlbedarf der Halteelemente 3 geringer ist. Gleiches gilt für den Wartungsbedarf, da die Halteelemente 3 weniger verschleißen.
Die Figuren 7 und 8 zeigen eine Brennkammer 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die sich nur hinsichtlich einiger Details bezüglich der Ausbildung der Halteelemente 3, der Verbindungselemente 4 und der Federelemente 10 von der zuvor beschriebenen Ausführungsform unterscheidet, weshalb nachfolgend nur auf diese Details eingegangen und im Übrigen auf die vorherigen Ausführungen verwiesen wird. Die Halteelemente 3 wiesen wie zuvor jeweils einen Befestigungsabschnitt 12 und zwei Eingriffsabschnitte 13 auf. Der Befestigungsabschnitt ist allerdings nicht mit einer Durchgangsöffnung 14, sondern an seiner Oberseite mit einer Vertiefung 24 zur Aufnahme der unteren zwei von insgesamt drei Federelementen 10 versehen. Ferner umfasst der Befestigungsabschnitt 12 in seinen gegenüberliegenden Endbereichen auswärts abstehende Vorsprünge 25, deren Kontur korrespondierend zum Querschnitt der Aufnahmenuten 11 gewählt ist, so dass diesen Vorsprünge 25 formschlüssig in die Aufnahmenuten 11 eingreifen. Dies führt dazu, dass auch die Befestigungsabschnitte 12 der Halteelemente 3 ebenso wie die Verbindungselemente 4 in Umfangsrichtung in die Aufnahmenuten 11 einschoben und nicht mehr wie zuvor beschrieben radial in diese eingesetzt werden können. Zudem sind nicht die Befestigungsabschnitte 12 der Halteelemente 3, sondern die Verbindungselemente 4 mit einer Schraubenbohrung 18 versehen, so dass die Fixierung der Halteelemente 3 und der Verbindungselemente 4 in Umfangsrichtung U nunmehr über eine Verschraubung der Verbindungselemente 4 mit der Tragstruktur 2 erfolgt. Wie zuvor bereits erwähnt sind anstelle von zwei Federelementen 10 drei Federelemente 10 vorgesehen, wobei die Ausrichtung der unteren beiden Federelemente 10 entgegen der zuvor beschriebenen Ausrichtung gewählt ist, also mit nach oben gerichtetem Wellenberg.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Brennkammer (1),
insbesondere eine solche einer Gasturbine,

mit einer Tragstruktur (2),

einer Vielzahl von an der Tragstruktur (2) befestigten Halteelementen (3) und

einer Vielzahl von gemeinsam ein Hitzeschild bildenden, jeweils eine Heißgasseite (5),

eine Kaltgasseite (6) und

die Heißgasseite (5) und die Kaltgasseite (6) miteinander verbindende Stirnseiten (7) aufweisenden Hitzeschildelementen (8),

wobei die Halteelemente (3) formschlüssig in an den Hitzeschildelementen (8) vorgesehene Ausnehmungen (9) eingreifen,

wobei die Halteelemente (3) jeweils zumindest zwei zum formschlüssigen Eingriff in die Ausnehmungen (9) eines Hitzeschildelementes (8) ausgebildete Eingriffsabschnitte (13) aufweisen,

die derart zugsteif miteinander verbunden sind,

dass bei den während des Brennkammerbetriebs vorherrschenden Temperaturen einer Auseinanderbewegung der Eingriffsabschnitte (13) effektiv entgegengewirkt wird, und dass sich zwischen der Tragstruktur (2) und den Hitzeschildelementen (8) als Blattfedern ausgebildete Federelemente (10) erstrecken, die einen Kraftschluss zwischen den Eingriffsabschnitten (13) der Halteelemente (3) und den Hitzeschildelementen (8) bewirken,

wobei die Eingriffsabschnitte (13) selbst derart zugsteif ausgebildet sind, dass sie bei den während des Brennkammerbetriebs vorherrschenden Temperaturen unter Einwirkung der Federkräfte formstabil sind.
Brennkammer (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausnehmungen (9) an den Kaltseiten (6) der Hitzeschildelemente (8) ausgebildet sind.
Brennkammer (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Tragstruktur (2) mit sich umfänglich erstreckenden Aufnahmenuten (11) zur Aufnahme der Halteelemente (3) versehen ist.
Brennkammer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
umfänglich benachbart zueinander angeordnete Halteelemente (3) über Verbindungselemente (4) lösbar miteinander verbunden sind.
Brennkammer (1) nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Aufnahmenuten (11) einen mit Hinterschneidungen versehenen Querschnitt aufweisen, und dass die Halteelemente (3) und/oder die Verbindungselemente (4) formschlüssig in den Aufnahmenuten (11) aufgenommen sind.
Brennkammer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Halteelemente (3) einen zur Tragstruktur (2) weisenden, zugsteif ausgebildeten Befestigungsabschnitt (12) und zumindest zwei von dem Befestigungsabschnitt (12) vorstehende, insbesondere einteilig mit diesem ausgebildete Eingriffsabschnitte (13) aufweisen,

dass jedes Hitzeschildelement (8) eine zumindest der Anzahl der Eingriffsabschnitte (13) eines Halteelementes (3) entsprechende Anzahl von kaltgasseitigen Ausnehmungen (9) aufweist, und

dass jeder Eingriffsabschnitt (13) formschlüssig in eine der Ausnehmungen (9) eingreift.
Brennkammer (1) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die kaltgasseitigen Ausnehmungen (9) der Hitzeschildelemente (8) länglich ausgebildet sind und jeweils einen Einsetzbereich (19) und einen sich in Längsrichtung an diesen anschließenden Eingriffsbereich (20) definieren,

dass der Einsetzbereich (19) derart ausgebildet ist, dass sich ein zugeordneter Eingriffsabschnitt (13) eines Halteelementes (3) radial in diesen einsetzen lässt, dass der Eingriffsbereich (20) zur formschlüssigen Aufnahme des Eingriffsabschnittes (13) ausgelegt ist, und

dass der Einsetzbereich (19) und der Eingriffsbereich (20) derart ausgebildet sind, dass sich ein in den Einsetzbereich (19) radial eingesetzter Eingriffsabschnitt (13) durch Verschiebung in Längsrichtung in den Eingriffsbereich (20) überführen lässt.
Brennkammer (1) nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Befestigungsabschnitt (12) in Form einer länglichen, insbesondere kreisringsegmentartig gebogenen Platte ausgebildet ist, und

dass die Eingriffsabschnitte (13) im Bereich der freien Enden des Befestigungsabschnittes (12) vorgesehen sind.
Brennkammer (1) nach Anspruch 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Eingriffsabschnitte (13) in einem Winkel (α) von dem Befestigungsabschnitt (12) vorstehen, der von 90° verschieden ist, und/oder dass die Eingriffsabschnitte (13) mit aufeinander zu oder voneinander weg weisenden Endbereichen versehen sind.
Brennkammer (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Befestigungsabschnitt (12) an seiner zum Hitzeschildelement (8) weisenden Oberseite mit einer Vertiefung (24) versehen ist, die zur Aufnahme zumindest eines der Federelemente (10) ausgelegt ist.
Brennkammer (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Federelement (10) jeweils derart durch eine am Befestigungsabschnitt (12) ausgebildete Durchgangsöffnung (14) hindurchgeführt ist, dass sich dieses in einem mittleren Bereich gegen die Tragstruktur (2) abstützt.
Brennkammer (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Befestigungsabschnitte (12) der Halteelemente (3) und die Federelemente (10) mit korrespondierend angeordneten Langlöchern (16, 17) versehen sind, durch die Zuganker (23) eingesetzt werden können, um die Federelemente (10) in Richtung der Befestigungsabschnitte (12) zu ziehen.
Brennkammer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
jedes Hitzeschildelement (8) über zwei Halteelemente (3) an der Tragstruktur (2) gehalten ist,

insbesondere über genau zwei Halteelemente (3).
Brennkammer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Formgebung der Halteelemente (3) unter Einsatz eines Gießprozesses oder eines additiven Fertigungsverfahrens erfolgt ist, optional mit sich anschließender mechanischer Bearbeitung.