WO2006064038A1 - Hitzeschildelement - Google Patents

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WO2006064038A1
WO2006064038A1 PCT/EP2005/056814 EP2005056814W WO2006064038A1 WO 2006064038 A1 WO2006064038 A1 WO 2006064038A1 EP 2005056814 W EP2005056814 W EP 2005056814W WO 2006064038 A1 WO2006064038 A1 WO 2006064038A1
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WO
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heat shield
shield element
cooling
wall
coolant
Prior art date
Application number
PCT/EP2005/056814
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heinrich Pütz
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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 Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to US11/793,195 priority Critical patent/US20080127652A1/en
Priority to EP05821767A priority patent/EP1836442A1/de
Publication of WO2006064038A1 publication Critical patent/WO2006064038A1/de

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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
    • F23R3/005—Combined with pressure or heat exchangers
    • 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
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/03044—Impingement cooled combustion chamber walls or subassemblies

Definitions

  • the invention relates to a heat shield element having a wall, which has a hot medium which can be acted upon by a hot medium and a cold side which is opposite to the hot side, and to which a coolant distributor system assigned to the cold side.
  • a heat shield assembly having a plurality of heat shield components.
  • the heat shield components are attached to a support structure and each heat shield component is directed along a major axis that is substantially perpendicular to that support structure.
  • a heat-shield component has an axis extending parallel to the support structure, a hot gas on exposed hot wall, which is adjacent to an interior space of ⁇ .
  • An inlet channel for cooling fluid directed along the main axis propagates in the direction of the hot gas wall into the interior. He is sen askschlos ⁇ with a cover wall which has passages for the flow of cooling fluid to ⁇ .
  • the cover panel is directed substantially parallel to the hot gas ⁇ wall and extends over the entire From ⁇ strain.
  • the cooling fluid flowing through the passages under high pressure impinges perpendicularly on the inner surface, causing impingement cooling there.
  • the discharge channel is followed by a discharge channel, which can be designed, for example, as a pipe.
  • the discharge channel preferably leads to a Bren ⁇ ner of the gas turbine, where the heated cooling air planning process supports the combustion.
  • DE 29714742 Ul is thus ge ⁇ characterized by a closed cooling system with inputs set an impingement cooling means.
  • DE 196 43 715 A1 has a cooled flame tube with egg ⁇ ner outer and an inner wall lining for a combustion chamber, wherein the wall lining is flowed through with a vaporous coolant.
  • the wall lining consists of juxtaposed segments which are provided with a number of through holes. The segments are equipped at the ends with a collector for the vaporous coolant. prevented. The coolant now passes from the collectors through the through holes in the flame tube. This is a closed cooling in which the coolant water vapor ⁇ is provided.
  • EP 1 005 620 B1 also discloses an impingement cooling device for cooling the combustion chamber wall of a gas turbine.
  • the whole combustion chamber wall is clad with heat-shield components out ⁇ which have the form of hollow tiles, and this heat-shield components are mounted on a support structure of the combustion chamber.
  • Each heat shield component has a hollow body whose bottom side can be exposed to a hot gas.
  • In the hollow body is another smaller hollow body than use.
  • This insert has on its bottom side passage openings, so that there is an impact cooling device. As a result, an interior space is formed, which is limited by the insert and the support structure.
  • the support structure has one or more inlet channels through which cooling fluid can enter the interior.
  • the support structure further has outlet channels from the gap, which is bounded by the insert, the hollow body and the support structure.
  • cooling fluid flows under high pressure through the inlet channels into the interior of the impingement baffle and passes through the plurality of impingement cooling holes in the gap, bouncing against the inside of the bottom side.
  • the heated after the impingement cooling fluid is conducted from the intermediate space via the off ⁇ vent channels.
  • the cooling fluid is thus, also in EP 1 005 620 Bl, guided in a closed cooling circuit.
  • the described heat shield ⁇ elements are designed so that a low consumption of cooling air is ensured. This allows a econom ⁇ 's operation of the system, but still under the condition that the cooling air is introduced under relatively high pressure for impingement cooling in the heat shield element to be cooled.
  • the object of the invention is a heat shield element suits ⁇ ben so that the disadvantages described of the prior Tech ⁇ nik be overcome, in particular, a uniform cooling of the wall to be cooled with efficient coolant inlet is set enabled.
  • the object relating to the heat shield element object is OF INVENTION ⁇ dung achieved by a heat shield member having a wall which includes a pressurizable with a hot medium hot side and a hot side opposite to the cold side on ⁇ , and with one of the cold side associated Verteilersys ⁇ system for coolant, wherein within the wall a plurality of cooling channels running along the hot side is provided and these cooling channels are fluidically connected to the distributor system.
  • the invention is based on the recognition that the existing ⁇ cooling concepts based on an impingement cooling of the wall to be cooled reach the design and optimization limits with respect to the coolant consumption. Therefore, the invention takes a completely different route to cool the wall using convective concepts. It is proposed for the first time, the wall to be cooled even for a design efficient convective cooling in which cooling channels are provided within the wall. These cooling channels are supplied by means of the associated distribution system in each case with coolant , for example cooling air of suitable pressure and temperature levels as well as mass flow.
  • the convective cooling which takes place in the cooling channels during operation, achieves a reduction of the temperature in the wall to be cooled even before the large part of the heat flow has reached the inside of the heat shield.
  • ner impingement cooling the heat is removed from the hollow interior of the heat shield element.
  • ⁇ a lot of heat at an earlier stage of the heat transfer is transported away via the channels in the wall. In this way, the temperature gradient of the interim rule ⁇ the hot side and the cold side significantly reduced the wall to be cooled.
  • the advantage of convective cooling, which takes place already in the wall, opposite the impingement cooling or convective cooling in the interior of the thermal shields of is that the temperature of the interior is clearly niedri ⁇ ger than in the other cases, and that is particularly Güns ⁇ tig for the components of the heat shield (bolts, gaskets, springs) that are not thermally stressed.
  • the coolant is supplied via a supply channel. At the end of this supply channel, the coolant collects and then flows into the distribution system.
  • the new concept disclosed in the present patent application overcomes both the disadvantages of the prior art and provides for a much more efficient use of coolant.
  • the advantages of a heat shield element designed after this concept are that, thanks to the predominantly convective cooling the amount of compressor bleed air at a Gastur ⁇ bine can be reduced even further, as compared with the above-discussed prior art.
  • this type of cooling ensures a uniform temperature distribution in the wall of the heat shield element and achieved by an adjustable over the pressure level coolant flow, the impingement cooling of the collection point of the coolant in the supply channel. This results in an improvement in the cooling of the particularly critical areas.
  • the cooling channels have an inlet and an outlet for the coolant.
  • Two execution ⁇ are forms possible, and the combination of the two.
  • each of the cooling channels has a respective inlet and outlet.
  • it is a common inlet (or outlet) which is connected to a plurality of channels, or fluidically communicates.
  • the wall to be cooled to a first Be ⁇ ten Scheme and an opposing second side region, so that the inlet of the cooling channel in the first Sobe ⁇ is arranged rich and the outlet is arranged in the second side portion.
  • the coolant can be passed through the distribution system in the first side area and enter the wall to be cooled via the inlet in the first side region.
  • the refrigerant then passes to the gege ⁇ nübericide page range and that leads to a uniform cooling along and within the entire wall.
  • the coolant can absorb correspondingly much heat energy due to the distance in the cooling channel and the average residence time, which leads to a low coolant requirement.
  • the length of the cooling channels and thus the length of the heat shield element are chosen so that all temperature boundary conditions are met at the highest ⁇ possibledeffenetzeckung, ie the heating of the coolant can be increased by variations of the heat shield or wall length up to the permissible limit.
  • the inlet and the outlet of the cooling channels in the first side region of the cooling channels in the first side region of the
  • the above-mentioned advantages are maintained - the heat shield element is pulled through from the first side area to the second side area of cooling channels, which ensure a uniform temperature distribution on the wall to be cooled and at the same time enables a more efficient use of coolant.
  • the cooling channel and thus the coolant makes a change in direction as it flows through the wall.
  • temperature gradients can be further reduced because on average in a side region the heat dissipation is more uniform, for. B. only up to the middle of the wall.
  • Another preferred feature of the heat shield element summarizes a cooling channel whose inlet in the first Sobe ⁇ reaching the wall is and has at least one U-turn in the second side portion of the wall such that opposite at a cooling adjacent channels are throughput can flow, so that a Countercurrent of coolant in the wall can be generated.
  • the principle here is that the allowable amount of heat that the coolant can absorb from the wall to be cooled is not achieved by variations in the wall length, but with a constant size of the heat shield element, the length of the channel is increased, resulting in at least one U-turn in the second page area leads.
  • a further preferred embodiment of this principle comprises the use of a cooling channel which is serpentine. This means more than a U-turn of the cooling channel and has a plurality of adjacent channels, in which a countercurrent of coolant is generated. This can be the outlet the cooling channel may be arranged both in the first and in the second side region.
  • the cooling channels are preferably arranged closer to the hot side than to the cold side of the wall to be cooled.
  • This embodiment leads to a significantly improved heat transfer between the hot side of the wall and the coolant in the Ka ⁇ nälen.
  • the overall thickness of the wall is designed so that deformations and stresses are considered and controlled.
  • the distance of the cooling channels from the hot side is between 20% and 40% of the wall thickness. A height ⁇ rer distance would affect the transfer of heat, a smaller would lead to significant distortions of the hot side of the wall.
  • the distribution system is mounted directly on the cold side of the wall to be cooled.
  • the cooling means may - for example in the state mounted on a combustion chamber wall with a support structure with a - enter through a sealed supply channel in the heat shield: in this case be in the system no Le ⁇ ckagen occur.
  • This supply channel is formed, for example, in the support structure. It opens in the mounted state of the heat ⁇ shield element in the distribution system itself and can also be regarded as part of the distribution system. Via the distributor system on the cold side of the heat shield element, the coolant reaches the first side region and enters the cooling channels there.
  • the distribution system and the cooling ⁇ channels can be designed for both a closed and for an open cooling, but preferably an open cooling is provided.
  • outlets of the cooling channels are preferably placed on the cold side is ⁇ so that coolant flows under the wall at the outlet from the cooling channels part or a sealing air effect is achieved.
  • the pressure of the coolant is higher than the ambient pressure of the hot gases. This will prevent that
  • the heat shield element preferably consists of a high temperature resistant ⁇ material, especially a metal or metal alloy, for example, high temperature resistant alloys based on iron, chromium, nickel and cobalt.
  • the length of the Hitzschildettis from the outer edge of the first Be ⁇ ten Schemes to the outer edge of the second side region is preferably between 200mm and 400mm.
  • the heat shield element is used for cooling a hot gas-carrying component, in particular a combustion chamber, an annular combustor before ⁇ preferably a gas turbine, comprising a support structure, are attached to the these heat shield elements.
  • the heat shield element is attached vorzugswei ⁇ se with a fastening bolt on the support structure of the combustion chamber.
  • the bolt is preferably located on the cold side of the wall to be cooled, which is very advantageous during operation.
  • the support structure of the combustion chamber preferably has at least one feed channel, so that the coolant on the Zubowka ⁇ nal is fed to the heat shield element.
  • the supply channel is introduced into the support structure, for example as a bore or as a plurality of holes forming the supply channel.
  • This supply channel preferably opens into the distribution system.
  • the feed channel is sealed from the environment to prevent leaks.
  • the combustion chamber to which heat shield elements are attached is preferably part of a gas turbine plant.
  • These gas turbine installation has a compressor, from the preferential ⁇ example cooling air is branched off as a cooling means for cooling the combustion chamber. This compressor discharge air serves to cool the heat shield elements.
  • FIG. 1 shows a half section through a gas turbine plant with compressor, combustion chamber and turbine
  • FIG 2 shows a longitudinal section through the heat shield element
  • FIG 3 shows a cross section through the heat shield element ge ⁇ Frankfurtss Fig. 2
  • FIG. 4 shows a cross section through a heat shield element GE measured Fig. 2, with respect to a to be cooled
  • FIG. 5 shows a cross section through one half of a heat ⁇ shield element with cooling channels
  • FIG. 6 shows a cross section through one half of a heat shield element with respect to FIG. 5 alternative
  • the gas turbine system 33 includes a compressor 35, an annular combustor 23 with a plurality of burners 37 for a liquid or gaseous fuel and a gas turbine 25 for driving the compaction ⁇ ters 35 and a generator, not shown in Fig. 1
  • the entire combustion chamber wall is lined with heat shield elements 1 shown in greater detail in FIG. 2, or the heat shield elements 1 are attached to a support structure 27 on the combustion chamber wall.
  • the Gasturbinenan ⁇ position 33 L air is sucked from the environment.
  • the compressor 35 the air L is compressed and thereby partially heated.
  • a small portion of the air L is taken from the compressor 35 and supplied to the heat shield elements 1 as coolant K, the greater part of the air L is supplied to the burners for combustion.
  • the greater part of the air L from the compressors 35 is brought together with the liquid or gaseous fuel and burnt.
  • ent ⁇ is the hot medium M, in particular hot gas
  • the gas turbine 27 drives ⁇ .
  • an Ent ⁇ voltage and cooling of the hot gas M is shown schematically in a longitudinal section.
  • the heat shield element 1 is fastened to the support structure 27 with a fastening bolt 29.
  • the heat shield ⁇ element 1 has a wall 3.
  • the wall 3 has a hot side 5 which can be acted upon by the hot medium M and a cold side 7 which lies opposite the hot side 5.
  • a manifold system 9 for coolant K is the cold side 7 supplied ⁇ arranged; present the manifold system 9 is mounted directly on the cold side 7, and is thus part of the heat shield element 1 itself.
  • the distribution system 9 is strö ⁇ mung-connected to the cooling channels 11 such that coolant K is distributed to the cooling channels 11 via the manifold system 9.
  • coolant K, in particular ⁇ special cooling air L which is taken from the compressor 35, passed into the distribution system 9 and thereby passes into the space on the cold side 7 of the wall.
  • the coolant K is introduced into the supply channels 31 under high pressure. This pressure causes an additional impingement cooling at the end of the leading channels ⁇ 31, that is, where the coolant K divider system in the United ⁇ 9 flows. This causes an improved cooling particularly critical areas, such as near the Fixed To ⁇ supply pin 29.
  • the distribution system 9 ensures that the coolant K, which is still under high pressure, is introduced into the cooling channels 11, where it passes through its flow in ⁇ nerrenz the plurality of cooling channels 11 leads to a particularly effective convective cooling of the wall 3.
  • the supply channels 31 are sealed from the environment with seals 41 at the connection points between the heat shield element 1 and the support structure 27.
  • FIG. 3 shows a cross section through the heat shield element according to FIG. 2, on which the distribution system 9 and the outlets 15 of the channels 11 are shown in detail.
  • the coolant K flows through the supply channels 31 into the heat shield element 1 one. From there, it passes through the distributor system 9, which extends deeper in the direction of the wall 3 to be cooled with respect to the sectional plane shown in FIG. 3, to the first side region 17 of the heat shield element 1.
  • the first side region 17 are the inlets (see FIG ) of thedeka ⁇ ducts 11.
  • the first side portion 17 is also limited by its outer edge 17A.
  • the second side region 19 Opposite the first side region 17 on the wall 3 is the second side region 19.
  • the second side region 19 has an outer edge 19A.
  • the coolant K which is within the cooling channels 11 from the first Be ⁇ ten Scheme 17 to the second side portion 19 flows of the cooling channels escapes through the outlets 15 of 11 from the heat shield element 1.
  • FIG 3 also has a mounting opening 29B to detect.
  • the attachment opening 29B is concentrically surrounded by a plurality of supply channels 31 and thus they are equidistant from the attachment opening.
  • the annular seal 41 is placed around the supply channels 31 so that the entire system of supply channels 31 and the fastening bolt 29 that surrounds them is sealed by the environment.
  • FIG. 4 shows a cross section through a heat shield element 1 according to FIG. 2, with a sectional plane deeper than in FIG. 3 with respect to the wall 3 to be cooled.
  • the distributor system 9 encloses the attachment opening 29B and is in flow communication with the inlets 13 of the cooling channels IIA.
  • the inlets 13 are arranged in the first side area 17.
  • the off ⁇ outlets 15 are arranged in the second side region 19.
  • the cooling channels IIA from the first side portion 17 extend directly, in particular straight, to the second side portion 19 along the wall to be cooled 3.
  • the coolant K generates in this arrangement a direct flow of coolant K from the first side portion 17 to the second side portion 19, where the Coolant K flows out of the heat shield element 1.
  • the coolant K can also be used after the cooling task for blocking against hot gases M, in order to protect the support structure from a hot gas attack.
  • 5 shows a cross section through one half of a heat shield element 1 with cooling channels IIB, which generate a counter flow of coolant K in the wall to be cooled.
  • the second side portion 19 close to the outer edge 19A to the cooling ducts IIB a U-turn 21, whereindemit ⁇ K tel changes direction and flows back toward the first side portion 17th
  • the outlets 15 of the cooling channels IIB are in the present arrangement in the first side region 17 in a space separated from the distribution system 9 and are closer to the outer edge 17A than the inlets 13.
  • inlets 13 and outlets 15 are offset from each other in the first Side area 17 is arranged. From the distribution system 9, the inlets 13 are acted upon by coolant K.
  • FIG 6 is a cross section through one half of a heat shield member 1 is with respect to FIG 5 alternative Ausgestal ⁇ the cooling channels HC tung shown.
  • the coolant K which is introduced from the distributor system 9 into the inlets 13 of the cooling channels HC, flows from the first side region 17 along the wall 3 to be cooled in the direction of the second side region 19.
  • the cooling channels In the second side region 19, the cooling channels have a U-turn 21.
  • the coolant K changes its flow direction for the first time.
  • the cooling channels HC again reach the first side region 17, they turn around again and have a second turnaround 21 at the location.
  • adjacent channels are flowed through in opposite directions, so that a countercurrent of coolant K is generated.
  • the outlets 15 of the cooling channels HC are arranged in this case in the second side region 19.
  • ⁇ have at both configurations at least one reciprocal turn 21, and thereby a counterflow of coolant K is ER- testifies.
  • a multiplicity of reversing applications 21 can thus be provided in order to achieve a serpentine-shaped cooling structure.
  • ⁇ dene cooling arrangements in which the straightdekanä- Ie IIA and serpentine cooling channels IIB and HC are combined together with a heat shield element. 1
  • the present invention proposes a novel, particularly efficient cooling of a heat shield element.
  • the basic idea is that cooling channels are provided within the wall of the heat shield element to be cooled.
  • the wall which is acted upon during operation with hot medium, are cooled very convective convective.
  • the convective cooling which is achieved in the wall itself, on the one hand ensures a very efficient use of coolant and on the other hand for a very uniform temperature distribution of the wall to be cooled.
  • the En ⁇ is achieved of the supply channel, an additional cooling in the Particularly critical areas of the heat shield element by the adjustable impingement cooling.

Landscapes

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hitzeschildelement (1) mit einer Wand (3), die eine mit einem heißen Medium (M) beaufschlagba¬ re Heißseite (5) und eine der Heißseite (5) gegenüberliegende Kaltseite (7) aufweist, und mit einem der Kaltseite (7) zugeordneten Verteilersystem (9) für Kühlmittel (K). Für eine besonders effektive Konvektivkühlung des Hitzeschildelements (1) sind innerhalb der Wand (3) eine Mehrzahl von entlang der Heißseite (5) verlaufenden Kühlkanälen (IIA, IIB, HC) vorgesehen. Die Kühlkanäle (IIA, IIB, HC) sind strömungstechnisch mit dem Verteilersystem (9) verbunden, so dass das Kühlmittel (K) mittels des Verteilersystems (9) auf die einzelnen Kühlkanäle (IIA, HB, HC) verteilbar ist. Da konvektiv-kühlbare Hitzeschildelement (9) ist besonders vorteilhaft zur hitzebeständigen Auskleidung einer Brennkammer (23), insbesondere einer Brennkamme (23) einer Gasturbinenanlage (33) einsetzbar.

Description

Beschreibung
Hitzeschildelement
Die Erfindung betrifft ein Hitzeschildelement mit einer Wand, die eine mit einem heißen Medium beaufschlagbare Heißseite und eine der Heißseite gegenüberliegende Kaltseite aufweist, und mit einem der Kaltseite zugeordneten Verteilersystem für Kühlmittel.
In einer Strömungsmaschine wird Nutzarbeit gewonnen durch die Expansion von einem strömenden heißen Medium, z. B. Heißgas. Mit Bezug auf die Erhöhung des Wirkungsgrades einer Strö¬ mungsmaschine wird unter anderem versucht eine möglichst hohe Temperatur des Heißgases zu erreichen, was aber zu einer sehr starken thermischen Belastung der Bauteile, die dem Heißgas unmittelbar ausgesetzt sind, führt. Deswegen ist es erforderlich, diese Bauteile möglichst temperaturresistent zu gestal¬ ten, so dass sie bei sehr hohen Temperaturen der Heißgase ausreichende Festigkeit besitzen. Hierzu bieten sich zum ei¬ nen hochwarmfeste Werkstoffe, wie z. B. Keramiken an. Der Nachteil dieser Stoffe liegt sowohl in ihrer starken Sprödig- keit als auch in ihrer ungünstigen Wärme- und Temperaturleit¬ fähigkeit. Als Alternative zu keramischen Werkstoffen bieten sich hochwarmfeste metallische Legierungen auf Eisen-,
Chrom-, Nickel- und Kobaltbasis an. Da die Einsatztemperatur von hochwarmfesten Metalllegierungen aber deutlich unter der maximalen Einsatztemperatur von keramischen Werkstoffen liegt, ist es notwendig, metallische Hitzeschilde, die im Kontakt mit einem strömenden heißen Medium sind, zu kühlen.
In einer Gasturbine, die ein Beispiel für eine Strömungsma¬ schine ist, wird das zur Kühlung erforderliche Kühlmittel für gewöhnlich einem an die Turbine vorgeschalteten Verdichter in Form von Verdichterentnahmeluft entnommen. Um den Wirkungs¬ grad des thermodynamischen Prozesses trotz der Kühlluftent¬ nahme vom Verdichter so hoch wie möglich zu halten, wird in- tensiv nach Kühlkonzepten gesucht, die einen möglichst effizienten Kühlmitteleinsatz gewährleisten.
Eine Möglichkeit der Kühlung wird in der DE 29714742 Ul vor- geschlagen. In dieser Druckschrift wird eine Hitzschildanordnung mit einer Mehrzahl von Hitzeschildkomponenten beschrieben. Die Hitzeschildkomponenten sind an einer Tragstruktur befestigt und jede Hitzeschildkomponente ist entlang einer Hauptachse gerichtet, die im wesentlichen senkrecht zu dieser Tragstruktur angeordnet ist. Eine Hitzeschildkomponente weist eine parallel zur Tragstruktur verlaufende, einem Heißgas ausgesetzte Heißwand auf, die an einen Innenraum an¬ grenzt. Eine entlang der Hauptachse gerichteter Einlasskanal für Kühlfluid verbreitet sich in Richtung der Heißgaswand in den Innenraum hinein. Er ist mit einer Abdeckwand abgeschlos¬ sen, welche Durchlässe zur Durchströmung von Kühlfluid auf¬ weist. Die Abdeckwand ist im wesentlichen parallel zur Hei߬ gaswand gerichtet und erstreckt sich über deren gesamte Aus¬ dehnung. Das durch die Durchlässe unter hohem Druck strömende Kühlfluid prallt senkrecht auf der Innenoberfläche auf und bewirkt dort eine Prallkühlung. Von der Innenoberfläche ge¬ langt das erwärmte Kühlfluid durch einen parallel zur Haupt¬ achse verlaufenden Auslasskanal aus dem Innenraum der Hitzeschildkomponente heraus. An den Auslasskanal schließt sich ein Abfuhrkanal an, der beispielweise als Rohr ausgeführt sein kann. Der Abfuhrkanal führt vorzugsweise zu einem Bren¬ ner der Gasturbine, wo die erwärmte Kühlluft den Verbren- nungsprozess unterstützt. Die DE 29714742 Ul ist somit ge¬ kennzeichnet durch ein geschlossenes Kühlkonzept unter Ein- satz einer Prallkühleinrichtung.
Die DE 196 43 715 Al weist ein gekühltes Flammenrohr mit ei¬ ner äußern und einer inneren Wandauskleidung für eine Brennkammer auf, wobei die Wandauskleidung mit einem dampfförmigen Kühlmittel durchströmt ist. Dabei besteht die Wandauskleidung aus aneinander gereihten Segmenten die mit einer Anzahl von Durchgangsbohrungen versehen sind. Die Segmente sind an den Enden mit einem Sammler für das dampfförmige Kühlmittel ver- bunden. Das Kühlmittel gelangt nun von den Sammlern durch die Durchgangsbohrungen in das Flammenrohr. Dabei handelt es sich um eine geschlossene Kühlung bei dem als Kühlmittel Wasser¬ dampf vorgesehen ist.
Aus der EP 1 005 620 Bl geht auch eine Prallkühlvorrichtung zur Kühlung der Brennkammerwand einer Gasturbine hervor. Die ganze Brennkammerwand ist mit Hitzeschildkomponenten ausge¬ kleidet, die die Form von hohlen Kacheln haben und diese Hit- zeschildkomponenten werden auf einer Tragstruktur der Brennkammer befestigt. Jede Hitzeschildkomponente weist einen Hohlkörper auf, dessen Bodenseite einem Heißgas aussetzbar ist. In dem Hohlkörper befindet sich ein weiterer kleinerer Hohlkörper als Einsatz. Dieser Einsatz weist an seiner Boden- seite Durchlassöffnungen auf, so dass eine Prallkühleinrichtung vorliegt. Dadurch ist ein Innenraum gebildet, der durch den Einsatz und die Tragstruktur begrenzt ist. Die Tragstruktur weist ein oder mehrere Einlasskanäle auf, durch die Kühl- fluid in den Innenraum gelangen kann. Die Tragstruktur weist weiterhin Auslasskanäle aus dem Zwischenraum auf, der durch den Einsatz, den Höhlkörper und die Tragstruktur begrenzt ist. Zu einer Prallkühlung der Bodenseite strömt Kühlfluid unter hohem Druck durch die Einlasskanäle in den Innenraum des Prallkühleinsatzes und gelangt durch die Vielzahl von Prallkühlöffnungen in den Zwischenraum, wobei es gegen die Innenseite der Bodenseite prallt. Das nach der Prallkühlung erwärmte Kühlfluid wird aus dem Zwischenraum über die Aus¬ lasskanäle ausgeführt. Das Kühlfluid wird somit, auch bei der EP 1 005 620 Bl, in einem geschlossenen Kühlkreislauf ge- führt.
Der Stand der Technik dargestellt in den oben genannten Druckschriften weist zwei große Nachteile auf. Einerseits die Prallkühlvorrichtungen zur Kühlung der Brennkammerwand einer Gasturbine vorgeschlagen in DE 97 02 168 and EP 1 005 620 Bl benötigen eine vergleichsweise große Menge an Kühlluft, die dem Verdichter entnommen wird und das führt zu einem schlechteren Wirkungsgrad des thermodynamischen Prozesses. Anderer- seits hat eine Prallkühlung zur Folge, dass die Temperaturverteilung auf der zu kühlende Wand ungleichmäßig ist, da le¬ diglich lokal die Wärme gut abgeführt wird. Dadurch entstehen Temperaturgradienten und es ergibt sich eine sehr starke thermomechanische Belastung des Werkstoffes. Die zitierten Druckschriften bieten durch einige technischkonstruktive Mo¬ difikationen nur eine Verbesserung bezüglich der großen Menge von Verdichterentnahmeluft an. Die geschilderten Hitzeschild¬ elemente werden so ausgelegt, dass ein geringer Verbrauch an Kühlluft gewährleistet ist. Dies ermöglicht einen ökonomi¬ schen Betrieb der Anlage, aber immer noch unter der Bedingung, dass die Kühlluft unter vergleichsweise hohem Druck zur Prallkühlung in das zu kühlende Hitzeschildelement eingeführt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Hitzeschildelement anzuge¬ ben, so dass die beschriebenen Nachteile des Stands der Tech¬ nik überwindet werden, wobei insbesondere eine gleichmäßige Kühlung der zu kühlenden Wand bei effizientem Kühlmittelein- satz ermöglicht wird.
Die auf das Hitzeschildelement gerichtete Aufgabe wird erfin¬ dungsgemäß gelöst durch ein Hitzeschildelement mit einer Wand, die eine mit einem heißen Medium beaufschlagbare Heiß- seite und eine der Heißseite gegenüberliegende Kaltseite auf¬ weist, und mit einem der Kaltseite zugeordneten Verteilersys¬ tem für Kühlmittel, wobei innerhalb der Wand eine Mehrzahl von entlang der Heißseite verlaufenden Kühlkanälen vorgesehen ist und diese Kühlkanäle strömungstechnisch mit dem Vertei- lersystem verbunden sind.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die bestehen¬ den Kühlkonzepte, die auf einer Prallkühlung der zu kühlenden Wand basieren an die Auslegungs- und Optimierungsgrenzen be- züglich des Kühlmittelverbrauchs gelangen. Daher beschreitet die Erfindung einen völlig anderen Weg die Wand zu kühlen, wobei konvektive Konzepte zur Anwendung kommen. Dabei wird erstmals vorgeschlagen, die zu kühlende Wand selbst für eine effiziente Konvektivkühlung auszulegen, in dem Kühlkanäle innerhalb der Wand vorgesehen sind. Diese Kühlkanäle werden mittels des zugeordneten Verteilersystems jeweils mit Kühl¬ mittel, z.B. Kühlluft geeigneter Druck- und Temperaturniveaus sowie Massenstroms versorgt.
Die konvektive Kühlung, die im Betrieb in den Kühlkanälen stattfindet, erzielt eine Reduzierung der Temperatur in der zu kühlenden Wand selbst, noch bevor der große Teil des Wär- mestromes das Innere des Hitzeschildes erreicht hat. Bei ei¬ ner Prallkühlung wird die Wärme von dem hohlen Inneren des Hitzeschildelementes abtransportiert. In der vorliegenden Er¬ findung wird mittels der Kanäle in der Wand sehr viel Wärme in einem früheren Stadium der Wärmeübertragung abtranspor- tiert . Auf diese Weise wird der Temperaturgradient der zwi¬ schen der Heißseite und der Kaltseite der zu kühlenden Wand deutlich reduziert. Der Vorteil der konvektiven Kühlung, die bereits in der Wand stattfindet, gegenüber der Prallkühlung oder der konvektiven Kühlung in dem Innenraum des Hitzeschil- des ist, dass die Temperatur des Innenraums deutlich niedri¬ ger ist als in den anderen Fälle und das ist besonders güns¬ tig für die Bauteile des Hitzeschildes (Bolzen, Dichtungen, Feder) die nicht thermisch belastet werden. Das Kühlmittel wird über einen Zufuhrkanal zugeführt. Am Ende dieses Zufuhr- kanals sammelt sich das Kühlmittel und strömt anschließend in das Verteilersystem. Mittels geeignetem Druckniveau des Kühlmittels lässt sich so bereits an der Sammelstelle des Kühl¬ mittels in dem Zufuhrkanal eine Prallkühlung eines Teils des Hitzeschildelements, zum Beispiel der Bereich in dem sich der Befestigungsbolzen befindet erreichen. Dies ist besonders vorteilhaft, da hierdurch die besonders kritischen Bereiche im Hitzeschildelement eine zusätzliche verbesserte Kühlung erfahren. Zudem heizt sich das Kühlmittel auf.
Das neue Konzept, das in der vorliegenden Patentanmeldung offenbart wird, überwindet beide Nachteile aus dem Stand der Technik und sorgt für einen viel effizienteren Kühlmitteleinsatz. Die Vorteile eines Hitzeschildelementes ausgelegt nach diesem Konzept sind, dass dank der vorwiegend konvektiven Kühlung die Menge an Verdichterentnahmeluft bei einer Gastur¬ bine noch weiter reduziert werden kann, im Vergleich zu dem oben diskutierten Stand der Technik. Zeitgleich sorgt diese Art von Kühlung für eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Wand des Hitzeschildelementes und erzielt durch eine über das Druckniveau einstellbaren Kühlmittelstrom die Prallkühlung der Sammelstelle des Kühlmittels in dem Zufuhrkanal. Dies hat eine Verbesserung in der Kühlung der besonders kri- tischen Bereiche zur Folge.
Vorzugsweise weisen die Kühlkanäle einen Einlass und einen Auslass für das Kühlmittel auf. Dabei sind zwei Ausführungs¬ formen und die Kombination von beiden möglich. Bei der ersten Ausführungsform weist jeder der Kühlkanäle einen jeweiligen Einlass und jeweiligen Auslass auf. Bei der zweiten Ausführungsform handelt es sich um einen gemeinsamen Einlass (bzw. Auslass) der mit mehreren Kanälen verbunden ist, bzw. strömungstechnisch kommuniziert.
Weiter bevorzugt weist die zu kühlende Wand einen ersten Sei¬ tenbereich und einen gegenüberliegenden zweiten Seitenbereich auf, so dass der Einlass des Kühlkanals im ersten Seitenbe¬ reich angeordnet ist und der Auslass im zweiten Seitenbereich angeordnet ist. Auf diese Weise kann das Kühlmittel über das Verteilersystem in den ersten Seitenbereich geleitet werden und über den Einlass im ersten Seitenbereich in die zu kühlende Wand eintreten. Das Kühlmittel tritt dann an dem gege¬ nüberliegenden Seitenbereich aus und das führt zu einer gleichmäßigen Kühlung entlang und innerhalb der ganzen Wand. Auf ihrem Weg vom ersten Seitenbereich bis zum zweiten Seitenbereich kann das Kühlmittel aufgrund der Wegstrecke im Kühlkanal und der mittleren Verweilzeit entsprechend viel Wärmeenergie aufnehmen, was zu einem geringen Kühlmittelbe- darf führt. Die Länge der Kühlkanäle und damit die Länge des Hitzeschildelementes werden so gewählt, dass bei der höchst¬ möglichen Kühlmittelaufheizung alle Temperaturrandbedingungen eingehalten werden, d.h. die Aufheizung des Kühlmittels kann durch Variationen der Hitzeschild- bzw. Wandlänge bis an die zulässige Grenze erhöht werden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind der Einlass und der Auslass der Kühlkanäle im ersten Seitenbereich der
Wand angeordnet. Bei dieser Ausgestattung werden die oben genannten Vorteile beibehalten - das Hitzeschildelement wird vom ersten Seitenbereich bis zum zweiten Seitenbereich von Kühlkanälen durchgezogen, die für eine gleichmäßige Tempera- turverteilung an der zu kühlenden Wand sorgen und gleichzeitig ermöglicht diese Ausführung einen effizienteren Kühlmitteleinsatz. Bei dieser Konfiguration, bei der Einlass und Auslass in demselben Seitenbereich der Wand angeordnet sind, vollzieht der Kühlkanal und damit das Kühlmittel eine Rich- tungsänderung beim Durchströmen der Wand. Dadurch können Temperaturgradienten weiter verringert werden, da im Mittel in einem Seitenbereich der Wärmeabtransport gleichmäßiger ist, z. B. nur bis zur Mitte der Wand.
Ein weiteres bevorzugtes Merkmal des Hitzeschildelementes um- fasst einen Kühlkanal dessen Einlass sich im ersten Seitenbe¬ reich der Wand befindet und mindestens eine Kehrtwendung im zweiten Seitenbereich der Wand aufweist, so dass bei einer Kühlung nebeneinander liegende Kanäle entgegengesetzt durch- strömbar sind, so dass ein Gegenstrom von Kühlmittel in der Wand erzeugbar ist. Das Prinzip hier ist, dass die zulässige Menge an Wärme, die das Kühlmittel von der zu kühlenden Wand aufnehmen kann, nicht durch Variationen der Wandlänge erreicht wird, sondern bei konstanter Größe des Hitzeschildele- mentes wird die Länge des Kanals erhöht, was zu mindestens einer Kehrtwendung im zweiten Seitenbereich führt .
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung dieses Prinzips umfasst die Anwendung eines Kühlkanals der serpentinenförmig ist. Dies bedeutet mehr als eine Kehrtwendung des Kühlkanals und weist mehrere nebeneinander liegende Kanäle auf, in denen ein Gegenstrom von Kühlmittel erzeugt ist. Dabei kann der Auslass des Kühlkanals sowohl im ersten als auch im zweiten Seitenbereich angeordnet sein.
Bevorzugtermaßen sind die Kühlkanäle näher an der Heißseite als an der Kaltseite der zu kühlenden Wand angeordnet. Diese Ausführung führt zu einem deutlich verbesserten Wärmeübergang zwischen der Heißseite der Wand und dem Kühlmittel in den Ka¬ nälen. Dabei wird die Gesamtdicke der Wand so ausgelegt, dass Verformungen und Spannungen berücksichtigt und beherrscht werden. Vorzugsweise beträgt der Abstand der Kühlkanäle von der Heißseite zwischen 20% und 40% der Wandstärke. Ein höhe¬ rer Abstand würde den Wärmeübergang beeinträchtigen, einen kleineren würde zu erheblichen Verformungen der Heißenseite der Wand führen.
Bevorzugt ist das Verteilersystem direkt auf der Kaltseite der zu kühlenden Wand angebracht. Das Kühlmittel kann - z.B. im montierten Zustand an einer Brennkammerwand mit einer mit einer Tragstruktur - durch einen abgedichteten Zufuhrkanal in das Hitzeschild eintreten: dabei werden im System keine Le¬ ckagen auftreten. Dieser Zufuhrkanal ist z.B. in der Tragstruktur gebildet. Er mündet im montierten Zustand des Hitze¬ schildelementes in das Verteilersystem selbst und kann auch als einen Teil des Verteilersystems angesehen werden. Über das Verteilersystem auf der Kaltseite des Hitzeschildelementes gelangt das Kühlmittel zum ersten Seitenbereich und tritt dort in die Kühlkanäle ein. Das Verteilersystem und die Kühl¬ kanäle können sowohl für eine geschlossene als auch für eine offene Kühlung ausgelegt werden, jedoch bevorzugt ist eine offene Kühlung vorgesehen. Bei dieser Ausführung werden die Auslässe der Kühlkanäle vorzugsweise an der Kaltseite ange¬ bracht, so dass Kühlmittel die Wand beim Austritt aus den Kühlkanälen teilweise unterströmt bzw. eine Sperrluftwirkung erzielt ist. Der Druck des Kühlmittels ist höher als der Um- gebungsdruck der Heißgase. Dadurch wird verhindert, dass
Heißgas in das Hitzeschildelement eindringt oder die Trag¬ struktur angreift. Das Hitzeschildelement besteht vorzugsweise aus einem hoch¬ temperaturbeständigen Material, insbesondere einem Metall oder Metalllegierung, z.B. hochtemperaturresistente Legierungen auf Eisen-, Chrom-, Nickel- and Kobaltbasis. Die Länge des Hitzschildelementes von dem äußeren Rand des ersten Sei¬ tenbereichs bis zum äußeren Rand des zweiten Seitenbereichs ist vorzugsweise zwischen 200mm und 400mm. Mit diesen Abmes¬ sungen ist typischerweise eine flächendeckende Auskleidung einer zu schützenden Wand, z.B. einer Brennkammerwand, er- reichbar.
Das Hitzeschildelement wird zur Kühlung einer heißgasführenden Komponente benutzt, insbesondere eine Brennkammer, vor¬ zugsweise eine ringförmige Brennkammer einer Gasturbine, die eine Tragstruktur aufweist, an der solche Hitzeschildelemente angebracht sind. Das Hitzeschildelement ist dabei vorzugswei¬ se mit einem Befestigungsbolzen an der Tragstruktur der Brennkammer befestigt. Der Bolzen befindet sich bevorzugt auf der Kaltseite der zu kühlenden Wand, was im Betrieb sehr vor- teilhaft ist.
Die Tragstruktur der Brennkammer weist bevorzugt mindestens einen Zufuhrkanal auf, so dass Kühlmittel über den Zufuhrka¬ nal dem Hitzeschildelement zuführbar ist. Der Zufuhrkanal ist dabei in die Tragstruktur eingebracht, z.B. als Bohrung oder als eine Mehrzahl von dem Zufuhrkanal bildenden Bohrungen.
Dieser Zufuhrkanal mündet vorzugsweise in das Verteilersystem ein. Der Zufuhrkanal ist gegenüber der Umgebung abgedichtet um Leckagen zu vermeiden.
Die Brennkammer, an der Hitzeschildelemente angebracht sind, ist bevorzugtermaßen Teil einer Gasturbinenanlage. Diese Gas¬ turbinenanlage weist einen Verdichter auf, von dem vorzugs¬ weise Kühlluft als Kühlmittel zur Kühlung der Brennkammer abzweigbar ist. Diese Verdichterentnahmeluft dient zur Küh- lung der Hitzeschildelemente.
Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele werden der Aufbau und die Funktionsweise der erfin- dungsgemäßen Hitzeschildelemente näher erläutert. Es zeigen hierbei teilweise schematisch und vereinfacht:
FIG 1 einen Halbschnitt durch eine Gasturbinenanlage mit Verdichter, Brennkammer und Turbine,
FIG 2 einen Längsschnitt durch das Hitzeschildelement, FIG 3 einen Querschnitt durch das Hitzeschildelement ge¬ mäß Fig. 2,
FIG 4 einen Querschnitt durch ein Hitzeschildelement ge- maß Fig. 2, mit einer bezüglich der zu kühlenden
Wand tieferen Schnittebene als in Fig. 3,
FIG 5 einen Querschnitt durch eine Hälfte eines Hitze¬ schildelementes mit Kühlkanälen, und
FIG 6 einen Querschnitt durch eine Hälfte eines Hitze- Schildelementes mit gegenüber Fig. 5 alternativer
Ausgestaltung der Kühlkanäle.
FIG 1 zeigt eine Gasturbinenanlage 33, die teilweise längs aufgeschnitten dargestellt ist. Die Gasturbinenanlage 33 weist einen Verdichter 35, eine Ringbrennkammer 23 mit einer Mehrzahl von Brennern 37 für einen flüssigen oder gasförmigen Brennstoff sowie eine Gasturbine 25 zum Antrieb des Verdich¬ ters 35 und eines in FIG 1 nicht dargestellten Generators auf. Dabei ist die ganze Brennkammerwand mit in der FIG 2 nä- her dargestellten Hitzeschildelementen 1 ausgekleidet, bzw. die Hitzeschildelemente 1 sind an einer Tragstruktur 27 an der Brennkammerwand angebracht. Im Betrieb der Gasturbinenan¬ lage 33 wird Luft L aus der Umgebung angesaugt. Im Verdichter 35 wird die Luft L verdichtet und dadurch teilweise erwärmt. Ein kleiner Teil der Luft L wird dem Verdichter 35 entnommen und als Kühlmittel K den Hitzeschildelementen 1 zugeführt, der größere Teil der Luft L wird den Brennern zur Verbrennung zugeführt. In der Brennkammer 23 wird der größere Teil der Luft L aus den Verdichtern 35 mit dem flüssigen oder gasför- migen Brennstoff zusammengebracht und verbrannt. Dabei ent¬ steht das heiße Medium M, insbesondere Heißgas, das die Gas¬ turbine 27 antreibt. In der Gasturbine 27 erfolgt eine Ent¬ spannung und Abkühlung des Heißgases M. In FIG 2 ist in einem Längsschnitt ein Hitzeschildelement 1, das an der Tragstruktur 27 angebracht ist, schematisch dargestellt. Das Hitzeschildelement 1 ist mit einem Befestigungs- bolzen 29 an der Tragstruktur 27 befestigt. Das Hitzeschild¬ element 1 weist eine Wand 3 auf. Die Wand 3 weist eine mit dem heißen Medium M beaufschlagbare Heißseite 5 und eine der Heißseite 5 gegenüberliegende Kaltseite 7 auf. Entlang der Heißseite 5 innerhalb der Wand 3 verlaufen Kühlkanäle 11. Ein Verteilersystem 9 für Kühlmittel K ist der Kaltseite 7 zuge¬ ordnet; vorliegend ist das Verteilersystem 9 direkt auf der Kaltseite 7 angebracht und ist damit Bestandteil des Hitze¬ schildelementes 1 selbst. Das Verteilersystem 9 ist strö¬ mungstechnisch mit den Kühlkanälen 11 verbunden, so dass Kühlmittel K über das Verteilersystem 9 auf die Kühlkanäle 11 verteilbar ist. Hierbei wird durch die Zufuhrkanäle 31, die in der Tragstruktur 27 eingebracht sind, Kühlmittel K, insbe¬ sondere Kühlluft L, die dem Verdichtern 35 entnommen wird, in das Verteilersystem 9 geleitet und gelangt dadurch in den Raum auf der Kaltseite 7 der Wand 3. Die Kühlmittel K wird unter hohen Druck in die Zufuhrkanäle 31 eingebracht. Dieser Druck bewirkt eine zusätzliche Prallkühlung am Ende der Zu¬ fuhrkanäle 31, das heißt dort wo das Kühlmittel K in das Ver¬ teilersystem 9 strömt. Dies bewirkt eine verbesserte Kühlung besonders kritischer Bereiche, z.B. in der Nähe des Befesti¬ gungsbolzens 29. Das Verteilersystem 9 sorgt dafür, dass das Kühlmittel K, das immer noch unter hohem Druck steht, in die Kühlkanäle 11 eingeführt wird, wo es durch seine Strömung in¬ nerhalb der Vielzahl von Kühlkanälen 11 zu einer besonders effektiven Konvektivkühlung der Wand 3 führt. Um Leckagen zu vermeiden sind die Zufuhrkanäle 31 gegenüber der Umgebung mit Dichtungen 41 an den Verbindungsstellen zwischen dem Hitzeschildelement 1 und der Tragstruktur 27 abgedichtet.
FIG 3 zeigt einen Querschnitt durch das Hitzeschildelement gemäß FIG. 2, auf dem das Verteilersystem 9 und die Auslässe 15 der Kanäle 11 im Detail dargestellt sind. Das Kühlmittel K strömt durch die Zufuhrkanäle 31 in das Hitzeschildelement 1 ein. Von dort gelangt es durch das Verteilersystem 9, das sich bezüglich der in FIG 3 gezeigten Schnittebene tiefer in Richtung der zu kühlenden Wand 3 erstreckt, zum ersten Seitenbereich 17 des Hitzeschildelementes 1. Im ersten Seitenbe- reich 17 befinden sich die Einlasse (siehe FIG 4) der Kühlka¬ näle 11. Der erste Seitenbereich 17 wird außerdem durch seinen äußeren Rand 17A begrenzt. Gegenüber dem ersten Seitenbereich 17 an der Wand 3 liegt der zweite Seitenbereich 19. Der zweite Seitenbereich 19 weist einen äußeren Rand 19A auf. Das Kühlmittel K, das innerhalb der Kühlkanäle 11 vom ersten Sei¬ tenbereich 17 bis zum zweiten Seitenbereich 19 strömt entweicht durch die Auslässe 15 der Kühlkanäle 11 aus dem Hitze¬ schildelement 1. Auf FIG 3 ist auch eine Befestigungsöffnung 29B zu erkennen. Die Befestigungsöffnung 29B ist von einer Mehrzahl von Zufuhrkanälen 31 konzentrisch umgeben und diese weisen folglich den gleichen Abstand von der Befestigungsöffnung auf. Die ringförmige Dichtung 41 ist um die Zufuhrkanäle 31 angelegt, damit das ganze System von Zufuhrkanälen 31 und vom Befestigungsbolzen 29 das sie umschließt, von der Umge- bung abgedichtet wird.
FIG 4 stellt einen Querschnitt durch ein Hitzeschildelement 1 gemäß FIG 2 dar, mit einer bezüglich der zu kühlenden Wand 3 tieferen Schnittebene als in FIG 3. Das Verteilersystem 9 um- schließt die Befestigungsöffnung 29B und steht in Strömungs¬ verbindung mit den Einlassen 13 der Kühlkanäle IIA. Die Einlasse 13 sind im ersten Seitenbereich 17 angeordnet. Die Aus¬ lässe 15 sind im zweiten Seitenbereich 19 angeordnet. Somit erstrecken sich die Kühlkanäle IIA vom ersten Seitenbereich 17 direkt, insbesondere geradlinig, zum zweiten Seitenbereich 19 entlang der zu kühlenden Wand 3. Das Kühlmittel K erzeugt bei dieser Anordnung einen Gleichstrom von Kühlmittel K vom ersten Seitenbereich 17 bis zum zweiten Seitenbereich 19, wo das Kühlmittel K aus dem Hitzeschildelement 1 ausströmt. Das Kühlmittel K kann weiterhin nach der Kühlaufgabe zur Sperrung gegenüber Heißgasen M verwendet werden, um die Tragstruktur vor einem Heißgasangriff zu schützen. FIG 5 zeigt einen Querschnitt durch eine Hälfte eines Hitze¬ schildelementes 1 mit Kühlkanälen IIB, die einen Gegenstrom von Kühlmittel K in der zu kühlenden Wand 3 erzeugen. Im zweiten Seitenbereich 19 nah an dem äußeren Rand 19A weisen die Kühlkanäle IIB eine Kehrtwendung 21 auf, bei der Kühlmit¬ tel K seine Richtung ändert und zurück in Richtung des ersten Seitenbereichs 17 strömt. Die Auslässe 15 der Kühlkanäle IIB befinden sich in der vorliegenden Anordnung im ersten Seitenbereich 17 in einem vom Verteilersystem 9 abgetrennten Raum und liegen näher an dem äußeren Rand 17A als die Einlasse 13. In diesem Ausführungsbeispiel sind Einlasse 13 und Auslässe 15 gegeneinander versetzt in dem ersten Seitenbereich 17 angeordnet. Von dem Verteilersystem 9 werden die Einlasse 13 mit Kühlmittel K beaufschlagt.
In FIG 6 wird ein Querschnitt durch eine Hälfte eines Hitze¬ schildelementes 1 mit gegenüber FIG 5 alternativer Ausgestal¬ tung der Kühlkanäle HC gezeigt. Das Kühlmittel K, das vom Verteilersystem 9 in die Einlasse 13 der Kühlkanäle HC ein- geführt wird, strömt vom ersten Seitenbereich 17 entlang der zu kühlenden Wand 3 in Richtung des zweiten Seitenbereichs 19. Im zweiten Seitenbereich 19 weisen die Kühlkanäle eine Kehrtwendung 21 auf. Hier ändert das Kühlmittel K zum ersten Mal seine Strömungsrichtung. Wenn die Kühlkanäle HC wieder den ersten Seitenbereich 17 erreichen, kehren sie noch einmal um und weisen an der Stelle eine zweite Kehrtwendung 21 auf. Dadurch werden nebeneinander liegende Kanäle entgegengesetzt durchströmt, so dass ein Gegenstrom von Kühlmittel K erzeugt ist. Die Auslässe 15 der Kühlkanäle HC sind in diesem Fall im zweiten Seitenbereich 19 angeordnet.
Bei einer serpentinenförmigen Ausführung der Kühlkanäle (HB, HC) ist es möglich, dass die Einlasse 13 und Auslässe 15 der Kühlkanäle HB in demselben Seitenbereich angeordnet sind, oder dass die Einlasse 13 im ersten Seitenbereich 17 und die Auslässe 15 im zweiten Seitenbereich 19 angeordnet sind. Da¬ bei weisen beide Konfigurationen mindestens eine Kehrwendung 21 auf und dadurch wird ein Gegenstrom von Kühlmittel K er- zeugt. Es kann somit je nach Kühlungsanforderung eine Vielzahl von Kehrtwendungen 21 vorgesehen sein, um eine serpenti- nenförmige Kühlstruktur zu erreichen. Es sind auch verschie¬ dene Kühlanordnungen möglich, bei denen die geraden Kühlkanä- Ie IIA und die serpentinenförmigen Kühlkanälen IIB und HC miteinander bei einem Hitzeschildelement 1 kombiniert sind.
Zusammenfassend kann man insbesondere festhalten, dass die vorliegende Erfindung eine neuartige besonders effiziente Kühlung eines Hitzeschildelementes vorschlägt. Die Grundidee dabei ist, dass Kühlkanäle innerhalb der zu kühlenden Wand des Hitzeschildelementes vorgesehen sind. Dadurch kann die Wand, die im Betrieb mit heißem Medium beaufschlagt ist, sehr wirkungsvoll konvektiv gekühlt werden. Die Konvektivkühlung, die in der Wand selbst erreicht wird, sorgt einerseits für einen sehr effizienten Kühlmitteleinsatz und andererseits für eine sehr gleichmäßige Temperaturverteilung der zu kühlenden Wand. Zudem wird durch die einstellbare Prallkühlung des En¬ des des Zufuhrkanals eine zusätzliche Kühlung in den beson- ders kritischen Bereichen des Hitzeschildelements erzielt.
Weiterhin wird hier eine geeignete Aufheizung des Kühlmittels erreicht, bevor es den Kühlkanälen zuströmt.

Claims

Patentansprüche
1. Hitzeschildelement (1) mit einer Wand (3), die eine mit einem heißen Medium (M) beaufschlagbare Heißseite (5) und ei- ne der Heißseite (5) gegenüberliegende Kaltseite (7) auf¬ weist, und mit einem der Kaltseite (7) zugeordneten Vertei¬ lersystem (9) für Kühlmittel (K) d a d u r c h g e- k e n n z e i c h n e t, dass innerhalb der Wand (3) eine Mehrzahl von entlang der Heißseite (5) verlaufenden Kühlkanä- len (IIA, IIB, HC) vorgesehen ist, wobei die Kühlkanäle
(IIA, IIB, HC) strömungstechnisch mit dem Verteilersystem (9) verbunden sind.
2. Hitzeschildelement (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kühl¬ kanäle (IIA, HB, HC) einen Einlass (13) und einen Auslass (15) für das Kühlmittel (K) aufweisen.
3. Hitzeschildelement (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Wand (3) einen ersten Seitenbereich (17) und einen gegenüberliegenden zweiten Seitenbereich (19) aufweist, und dass der Einlass (13) des Kühlkanals (IIA) im ersten Seitenbereich angeordnet ist und der Auslass (15) im zweiten Seitenbereich (19) ange- ordnet ist.
4. Hitzeschildelement (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Einlass
(13) und der Auslass (15) der Kühlkanäle (HB) im ersten Sei- tenbereich (17) der Wand (3) angeordnet sind.
5. Hitzeschildelement (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein Kühlka¬ nal (IIB, HC) dessen Einlass (13) sich im ersten Seitenbe¬ reich (17) der Wand (3) befindet mindestens eine Kehrtwendung (21) im zweiten Seitenbereich (19) der Wand (3) aufweist, so dass bei einer Kühlung nebeneinanderliegende Kanäle (IIA, HB) entgegengesetzt durchströmbar sind, so dass ein Gegen¬ strom von Kühlmittel (K) in der Wand (3) erzeugbar ist.
6. Hitzeschildelement (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Kühlka¬ nal (HB, HC) serpentinenförmig ist.
7. Hitzeschildelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Kühlkanä¬ le (IIA, HB, HC) näher an der Heißseite (5) als an der Kaltseite (7) der Wand (3) angeordnet sind.
8. Hitzeschildelement (1) nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Abstand der Kühlkanale (IIA, HB, HC) von der Heißseite (5) zwischen 20% und 40% der Wandstärke beträgt.
9. Hitzeschildelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Vertei¬ lersystem (9) direkt auf der Kaltseite (7) der Wand (3) ange¬ bracht ist.
10. Hitzeschildelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Vertei¬ lersystem (9) und die Kühlkanäle (IIA, HB, HC) für eine of¬ fene Kühlung ausgelegt sind.
11. Hitzeschildelement (1) nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Aus- lass (13) eines Kühlkanals (IIA, IIB, HC) an der Kaltseite (7) angebracht ist.
12. Hitzeschildelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Hitze¬ schildelement (1) aus einem hochtemperaturbeständigen Metall oder Metalllegierung besteht.
13. Hitzeschildelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Länge das Hitzeschildelement (1) zwischen von dem äußeren Rand (17A) des ersten Seitenbereichs (17) bis zum äußeren Rand (19A) des zweiten Seitenbereichs (19) zwischen 200mm and 400mm ist.
14. Hitzeschildelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass im Zufuhr¬ kanal mittels des Kühlmittels eine Prallkühlung eines Teils des Hitzeschildelements (1) bewirkt ist.
15. Brennkammer (23), vorzugsweise eine ringförmige Brennkam¬ mer einer Gastrubine (25), die eine Tragstruktur (27) auf¬ weist an der Hitzeschildelemente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 angebracht sind.
16. Brennkammer (23) nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Hitz¬ schildelement (1) mit einem Befestigungsbolzen (29) an der Tragstruktur (27) befestigt ist.
17. Brennkammer (23) nach einem der Ansprüche 15 oder 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in der Tragstruktur (27) mindestens ein Zufuhrkanal (31) eingebracht ist, so dass Kühlmittel (K) über den Zufuhrkanal (31) dem Hitzeschildelement (1) zuführbar ist.
18. Brennkammer (23) nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Zufuhr¬ kanal (31) in das Verteilersystem (9) einmündet.
19. Gasturbinenanlage (33) mit einer Brennkammer (23) nach einem der Ansprüche 15 bis 18.
20. Gasturbinenanlage (33) nach Anspruch 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass diese einen Verdichter (35) aufweist, von dem Luft (L) als Kühlmittel (K) zur Kühlung der Brennkammer (23) abzweigbar ist.
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