[0001] Hitzeschildanordnung für eine Heißgas führende Komponente, insbesondere für Strukturteile
von Gasturbinen, sowie Verfahren zum Herstellen einer derartigen Anordnung
[0002] Die Erfindung betrifft eine Hitzeschildanordnung für eine Heißgas führende Komponente,
insbesondere für Strukturteile von Gasturbinen. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren
zum Herstellen einer derartigen Anordnung.
[0003] Die Anordnung enthält eine Mehrzahl von Hitzeschildelementen, die flächendeckend
nebeneinander auf einer Tragstruktur angeordnet und mit dieser verankert sind.
[0004] Aufgrund der in Heißgasräumen herrschenden hohen Temperaturen besteht die Notwendigkeit,
eine Tragstruktur, die heißem Gas ausgesetzt ist, zu schützen. Hierzu ist es beispielsweise
möglich, den Heißgasraum mit Hitzeschildelementen auszukleiden, deren dem Heißgas
zugewandte Fläche gekühlt wird.
[0005] In der EP 0 224 817 B1 ist eine Hitzeschildanordnung, insbesondere für Strukturteile
von Gasturbinenanlagen, beschrieben, welche aus einer Anzahl von dreieckförmigen Hitzeschildelementen
gebildet ist. Die Hitzeschildelemente sind nebeneinander jeweils unter Belassung eines
Spalts auf einer Tragstruktur angeordnet und mit der Tragstruktur verschraubt.
[0006] Nachteilig dabei ist, dass durch die vorher beschriebenen Spalte Heißgas vom Brennraum
hindurchtreten und mit der Tragstruktur in Berührung kommen kann, so dass das Material
der Tragstruktur infolge der entstehenden massiven Hitzeeinwirkung beschädigt werden
kann.
[0007] In der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 100 03 728.3 ist eine aus einer
Anzahl von Hitzeschildelementen bestehende Hitzeschildanordnung gezeigt, bei welcher
zwischen den Hitzeschildelementen Dichtelemente, vorzugsweise Riffelbleche, eingesetzt
sind, um den Austritt von Heißgas aus dem Brennraum zu verhindern und die Tragstruktur
zu schützen.
[0008] Bei einer derartigen Anordnung ist nachteilig, dass beispielsweise das Einsetzen
oder Lösen eines Hitzeschildelements einer derartigen Anordnung nicht unabhängig von
dessen benachbarten Hitzeschildelementen stattfinden kann. Würde man z.B. beim Lösen
einer derartigen Anordnung zu Reparaturzwecken beispielsweise nur die Verankerung
eines Hitzeschildelements lösen und versuchen, das Hitzeschildelement zu entnehmen,
so würde dieser Versuch scheitern, da mindestens vor dem Herausziehen des Hitzeschildelements
aus der Anordnung die Dichtelemente zu den benachbarten Hitzeschildelementen manuell
entfernt werden müssten, was jedoch ohne Lösen der benachbarten Hitzeschildelemente
von der Tragstruktur oder zumindest Lockerung ihrer Verankerung und Bewegen in eine
exzentrische Lage, so dass der Spalt zwischen den Hitzeschildelementen vergrößert
ist, nicht möglich ist.
[0009] Auch beim Herstellen einer derartigen Anordnung können die Hitzeschildelemente nicht
einfach unabhängig voneinander mit der Tragstruktur verankert werden, sondern es muss
zunächst zwischen den Hitzeschildelementen jeweils ein größerer Spalt gebildet werden,
das Dichtelement eingesetzt werden, der Spalt verkleinert werden und die Hitzeschildelemente
schließlich mit der Tragstruktur verankert werden.
[0010] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Hitzeschildanordnung für eine
heißgasführende Struktur, insbesondere ein metallisches Bauteil einer Gasturbinenanlage
oder Brennkammer, mit flächendeckend nebeneinander auf einer Tragstruktur verankerten
Hitzeschildelementen sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Hitzeschildanordnung
anzugeben, welche insbesondere die beschriebenen Nachteile überwinden, flexibel einsetzbar
und besonders leicht und schnell herstellbar sind.
[0011] Bezüglich der Anordnung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Hitzeschildanordnung
mit flächendeckend nebeneinander auf einer Tragstruktur verankerten Hitzeschildelementen
gelöst, bei der mindestens zwei benachbarte Hitzeschildelemente jeweils mindestens
eine seitliche, im Bereich des Randes ihrer dem Heißgas zugewandten Fläche angebrachte,
Nut aufweisen, diese Hitzeschildelemente mittels mindestens eines in die Nut eingebrachten
Dichtelements verbunden sind und bei welcher das Dichtelement als Dichtklappe ausgebildet
ist, welche von einer ersten in eine zweite Position und umgekehrt bewegbar ist, wobei
die erste Position eine geöffnete Lage ohne Dichtwirkung und die zweite Position eine
geschlossene Lage mit Dichtwirkung ist.
[0012] Bei einer erfindungsgemäßen Hitzeschildanordnung ist zum einen die Tragstruktur vor
dem Kontakt mit aus dem Brennraum austretendem Heißgas durch das Dichtelement geschützt,
welches Spalten zwischen den Hitzeschildelementen der Hitzeschildanordnung verschließt.
Zum anderen ist eine erfindungsgemäße Hitzeschildanordnung wegen der besonderen Ausgestaltung
des Dichtelements als Dichtklappe leicht herstellbar und lösbar, weil das Dichtelement
beim Einsetzen oder Lösen von einer ersten in eine zweite Position bzw. umgekehrt
bewegbar ist, so dass beim Herstellen der erfindungsgemäßen Anordnung das Dichtelement
selbsttätig von seiner ersten Position (geöffnete Lage) in seine zweite Position (geschlossene
Lage) bewegt wird und beim Lösen der erfindungsgemäßen Anordnung selbsttätig von seiner
zweiten in seine erste Position bewegt wird. Das heißt, es ist nicht notwendig, das
Dichtelement manuell in seine zweite (geschlossene) Position zu bringen bzw. aus seiner
zweiten Position zu entfernen. Des Weiteren ist es möglich, ein einzelnes Hitzeschildelement
zu entnehmen, ohne dabei die Verankerungen benachbarter Hitzeschildelemente lösen
zu müssen.
[0013] Mittels solcher Dichtelemente zwischen jeweils zwei benachbarten Hitzeschildelementen
kann praktisch die ganze dem Heißgas ausgesetzte Fläche eines Heißgasraumes abgedeckt
werden. Allerdings können an besonderen Positionen (z.B. am Ort von Messgeräten, Zuführungen
oder Ableitungen von Gasen zum Heißgasraum etc.) Sonderkonstruktionen erforderlich
sein, die Erfindung ist aber geeignet, zumindest die überwiegende Zahl der Hitzeschildelemente
der Anordnung durch derartige Klappen gegeneinander abzudichten.
[0014] In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Dichtelement mittels einer Bewegung
eines Hitzeschildelements von der ersten in die zweite Position und umgekehrt bewegbar.
[0015] Beim Herstellen der erfindungsgemäßen Anordnung müssen die Dichtelemente nicht in
einem separaten Arbeitsschritt in die erfindungsgemäße Anordnung eingebracht werden,
sondern die Dichtelemente bewegen sich infolge der Bewegung eines einzusetzenden Hitzeschildelements
selbsttätig in ihre zweite (geschlossene) Position, ohne dass dabei die Verankerungen
von benachbarten Hitzeschildelementen mit der Tragstruktur gelöst werden muss.
[0016] Vorteilhaft weist das Dichtelement einen im wesentlichen C-förmigen Querschnitt auf.
Ein derartiger Querschnitt des Dichtelements ist besonders geeignet, da der auf diese
Weise gebildete (Längs-)Schlitz besonders leicht zum Halten des Dichtelements in der
ersten Position benutzt werden kann, indem beispielsweise der Schlitz des Dichtelements
auf die Wand einer Nut gesteckt und so in der ersten Position gehalten wird.
[0017] In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Dichtelement ausgebildet
als eine gebogene Platte. Das Dichtelement ist besonders leicht herstellbar, wenn
er durch Biegen einer Platte hergestellt wird, da sehr viele Rohstoffe in Form von
Platten erhältlich sind.
[0018] Vorteilhaft besteht die Platte aus Blech.
[0019] Blech zeichnet sich durch eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Hitze aus, so
dass Blech als Dichtelement bei der erfindungsgemäßen Hitzeschildanordnung besonders
geeignet ist. Des Weiteren ist Blech leicht erhältlich, kostengünstig und besonders
einfach verarbeitbar.
[0020] Die Erfindung führt weiterhin zu einem Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen
Hitzeschildanordnung mit folgenden Schritten:
1. Ein erstes und ein zweites Hitzeschildelement werden unter Belassung eines Zwischenraums
für ein drittes Hitzeschildelement auf der Tragstruktur verankert, so dass die Nut
des ersten Hitzeschildelements der Nut des zweiten Hitzeschildelements gegenüberliegt.
2. In die Nut des ersten und des zweiten Hitzeschildelements wird jeweils ein Dichtelement
derart eingebracht, dass das Dichtelement in der ersten Position gehalten ist.
3. Das dritte Hitzeschildelement, welches auf gegenüberliegenden Seiten jeweils eine
Nut aufweist, wird in den Zwischenraum in Richtung der Tragstruktur hineinbewegt,
wobei ein Dichtelement jeweils in eine dieser Nuten hineinragt.
4. Durch die Bewegung des dritten Hitzeschildelements wird das Dichtelement in die
zweite Position bewegt, und
5. das dritte Hitzeschildelement wird auf der Tragstruktur verankert.
[0021] Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist es besonders vorteilhaft, dass die Dichtung
zwischen den Hitzeschildelementen selbsttätig gebildet wird, ohne dass dabei ein manueller
Arbeitsschritt notwendig ist: Das als Dichtklappe ausgebildete Dichtelement wird selbsttätig
von seiner ersten (geöffneten) in seine zweite (geschlossene) Position bewegt, wobei
es beispielsweise zusammengedrückt und in die Nut eingeführt wird, vorteilhaft in
Art einer Drehbewegung. Das Zusammendrücken des Dichtelements verbessert die Dichtwirkung,
wenn das derart "vorgespannte" Dichtelement schließlich eng an den Wänden der Nut
anliegend in die Nut eingebracht ist und sichert darüber hinaus die zweite Position
(geschlossene Lage) der Dichtklappe gegen Herausfallen aus der Nut.
[0022] Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher dargestellt.
Es zeigen:
[0023]
- FIG 1
- einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Anordnung,
- FIG 2
- die Ablaufschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und
- FIG 3
- ein Ausführungsbeispiel eines Dichtelements für eine erfindungsgemäße Hitzeschildanordnung.
[0024] In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Hitzeschildanordnung 5 dargestellt.
[0025] Die Hitzeschildanordnung 5 schützt eine Tragstruktur 15 vor dem zerstörerischen Einfluss
von Heißgas, welches in einer Brennkammer 10 gebildet ist.
[0026] Die Hitzeschildanordnung 5 umfasst Hitzeschildelemente 20, welche flächendeckend
nebeneinander auf der Tragstruktur 15 angeordnet und auf dieser mittels Befestigungselementen
35, beispielsweise Schraubverbindungen, verankert sind.
[0027] Zwischen den einzelnen Hitzeschildelementen 20 befindet sich jeweils ein Spalt, durch
welchen das in der Brennkammer gebildete Heißgas hindurchtreten und die Tragstruktur
15 angreifen könnte. Aus Gründen der Wärmedehnung der Hitzeschilde und auch einer
guten Servicefreundlichkeit kann auf einen Spalt nicht verzichtet werden.
[0028] Um die Tragstruktur 15 vor Beschädigung oder Zerstörung zu bewahren, werden die vorher
beschriebenen Spalte zwischen den Hitzeschildelementen 20 mittels Dichtelementen 30
abgedichtet.
[0029] Die Hitzeschildelemente 20 weisen jeweils mindestens eine seitliche, im Bereich des
Randes ihrer dem Heißgas zugewandten Fläche angebrachte, Nut 25 auf. In die Nuten
25 jeweils benachbarter Hitzeschildelemente 20 ist ein Dichtelement 30 eingebracht.
[0030] Das Dichtelement 30 ist eine derart ausgebildete Dichtklappe, so dass diese von einer
ersten in eine zweite Position bewegbar ist, wobei die erste Position eine geöffnete
Lage ohne Dichtwirkung und die zweite Position eine geschlossene Lage mit Dichtwirkung
ist. In der Figur 1 sind die Dichtelemente 30 in der zweiten Position dargestellt.
Die Dichtelemente 30 weisen vorteilhaft einen im Wesentlichen C-förmigen Querschnitt
auf. Hergestellt werden können die Dichtelemente 30 beispielsweise aus einer ebenen
Platte, welche bevorzugt aus Blech besteht, und welche derart durch Biegen bearbeitet
ist, dass sie einen C-förmigen Querschnitt aufweist. Eine solche C-förmige Dichtklappe
weist eine Elastizität auf, die eine federnde Anlage an den Hitzeschildelementen und
eine gute Dichtung ermöglicht.
[0031] Die in der Figur 1 nicht dargestellte erste Position des Dichtelements 30 kann beispielsweise
dadurch gebildet sein, dass ein Dichtelement 30 mit seinem, infolge des C-förmigen
Querschnitts ausgebildeten (Längs-)Schlitz an dem der Brennkammer 10 näher liegenden
Rand der Nut 25 gehalten ist, in dem die genannte Wand in den Schlitz hineinragt (vgl.
Figur 2b und 2c).
[0032] Figur 2 zeigt die Schritte a) bis e) des erfindungsgemäßen Verfahrens.
[0033] Im Schritt a werden ein erstes und ein zweites Hitzeschildelement 51, 52 unter Belassung
eines Zwischenraums für ein dritte Hitzeschildelement 53 auf der Tragstruktur verankert,
beispielsweise mittels jeweils einer Schraubverbindung 65, so dass die Nut des ersten
Hitzeschildelements 51 der Nut des zweiten Hitzeschildelements 52 gegenüberliegt.
[0034] Im Schritt b) wird in die Nut 55 des ersten und des zweiten Hitzeschildelements 51,
52 jeweils ein Dichtelement 60 derart eingebracht, dass das Dichtelement 60 in der
ersten Position gehalten ist (geöffnete Position ohne Dichtwirkung). Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel besteht die erste Position darin, dass ein der Brennkammer 40
näher liegender Rand 56 einer Nut 55 in einen (Längs-)Schlitz 61 des Dichtelements
60 eingeführt ist.
[0035] Im Schritt c) wird das dritte Hitzeschildelement 53, welches auf gegenüberliegenden
Seiten jeweils eine Nut 55 aufweist, in Richtung B in den Zwischenraum hineinbewegt,
wobei ein Dichtelement 60 jeweils in eine der vorher beschriebenen Nuten des dritten
Hitzeschildelements 53 hineinragt.
[0036] Im Schritt d) werden durch die Bewegung B des dritten Hitzeschildelements 53 das
Dichtelement 60 in die zweite Position bewegt (geschlossene Lage mit Dichtwirkung).
Dabei kann das Dichtelement 60 zur Erzielung einer verbesserten Dichtwirkung zusammengedrückt
und z.B. mittels einer drehartigen Bewegung in die Nut 55 eingeführt werden.
[0037] Im Schritt e) wird schließlich das dritte Hitzeschildelement 53 auf der Tragstruktur
45 beispielsweise mittels einer Schraubverbindung 65 verankert.
[0038] Bei dem in Figur 2 dargestellten erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer
erfindungsgemäßen Hitzeschildanordnung ist es nicht notwendig, die gewünschte zweite
Position des Dichtelements 60, welche die Dichtwirkung gegenüber dem in der Brennkammer
40 gebildeten Heißgas realisiert, manuell, in z.B. einem separaten Arbeitsschritt,
herzustellen. Durch die besondere Ausbildung des Dichtelements 60 als Dichtklappe
geschieht die Abdichtung beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen
Hitzeschildanordnung
selbsttätig beim Einsetzen des dritten Hitzeschildelements 53 in den Zwischenraum zwischen dem
ersten und dem zweiten Hitzeschildelement 51, 52.
[0039] Es ist weiterhin nicht notwendig, die Verankerung des ersten und des zweiten Hitzeschildelements
51, 52 beim Einsetzen des dritten Hitzeschildelements 53 zu lösen, um beispielsweise
das Dichtelement 60 einzusetzen.
[0040] Das Dichtelement 60 ist mittels der Bewegung B des dritten Hitzeschildelements 53
sowohl in die zweite Position, als auch durch eine Bewegung des dritten Hitzeschildelements
53 in entgegengesetzter Richtung zu B in die erste Position bewegbar, so dass auch
ein einfaches Lösen der erfindungsgemäßen Anordnung möglich ist, ohne z.B. in einem
separaten, manuellen Arbeitsschritt das Dichtelement entnehmen zu müssen.
[0041] Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Dichtelements 80 zum Einsatz bei einer
erfindungsgemäßen Hitzeschildanordnung und/oder beim erfindungsgemäßen Verfahren.
[0042] Das Dichtelement 80 ist ausgebildet als Hohlrohr, beispielsweise aus Blech, welches
einen ovalen, im Wesentlichen C-förmigen, Querschnitt aufweist. Die Mantelfläche dieses
Hohlrohres weist einen Schlitz 85 auf, welcher sich im Wesentlichen über die gesamte
Länge des Dichtelements 80 erstreckt.
[0043] Der Schlitz 85 ist besonders geeignet, das Dichtelement 80 in seiner ersten Position
(geöffnete Lage ohne Dichtwirkung) zu halten, indem beispielsweise eine der Begrenzungswände
einer Nut eines Hitzeschildelements in den Schlitz 85 eingeführt und das Dichtelement
80 auf diese Weise in der ersten Position gehalten ist (siehe hierzu beispielsweise
auch Figur 2, Schritt b). Der über die Nut hinausragende Teil des Dichtelements 80
ist dann durch die Bewegung eines Hitzeschildelements erreichbar und das Dichtelement
80 dadurch in die zweite Position bewegbar.
[0044] Das Dichtelement 80 besteht bevorzugt aus Blech, welches beispielsweise durch Biegen
in die Form gemäß Figur 3 gebracht worden ist.
1. Hitzeschildanordnung (5) für eine Heißgas führende Struktur, insbesondere ein metallisches
Bauteil einer Gasturbinenanlage oder Brennkammer (10), mit flächendeckend nebeneinander
auf einer Tragstruktur (15) verankerten Hitzeschildelementen (20),
dadurch gekennzeichnet,dass
- mindestens zwei benachbarte Hitzeschildelemente (20) jeweils mindestens eine seitliche,
im Bereich des Randes ihrer dem Heißgas zugewandten Fläche angebrachte Nut (25) aufweisen,
- diese Hitzeschildelemente (20) mittels mindestens eines in die Nut (25) eingebrachten
Dichtelements (30) verbunden sind, und
- das Dichtelement (30) als Dichtklappe ausgebildet ist, welche von einer ersten in
eine zweite Position und umgekehrt bewegbar ist, wobei die erste Position eine geöffnete
Lage ohne Dichtwirkung und die zweite Position eine geschlossene Lage mit Dichtwirkung
ist.
2. Hitzeschildanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,dass
das Dichtelement (30) mittels einer Bewegung eines Hitzeschildelements (20) von der
ersten in die zweite Position und umgekehrt bewegbar ist.
3. Hitzeschildanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,dass
das Dichtelement (30) einen im Wesentlichen C-förmigen Querschnitt aufweist.
4. Hitzeschildanordnung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,dass
das Dichtelement (30) ausgebildet ist als gebogene Platte.
5. Hitzeschildanordnung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,dass
die Platte aus Blech besteht.
6. Hitzeschildanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,dass
das Dichtelement (30) infolge des durch den C-förmigen Querschnitt ausgebildeten Längs-Schlitzes
(61) in der ersten Position haltbar ist.
7. Verfahren zum Herstellen einer Hitzeschildanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
6 mit folgenden Schritten:
a) ein erstes und ein zweites Hitzeschildelement (51, 52) werden unter Belassung eines
Zwischenraums für ein drittes Hitzeschildelement (53) auf der Tragstruktur (45) verankert,
so dass die Nut (55) des ersten Hitzeschildelements (51) der Nut (55) des zweiten
Hitzeschildelements (52) gegenüberliegt,
b) in die Nut (55) des ersten und des zweiten Hitzeschildelements (51, 52) wird jeweils
ein Dichtelement (60) derart eingebracht, dass das Dichtelement (60) in der ersten
Position gehalten ist,
c) das dritte Hitzeschildelement (53), welches auf gegenüberliegenden Seiten jeweils
eine Nut (55) aufweist, wird in den Zwischenraum in Richtung der Tragstruktur (45)
hinein bewegt, wobei ein Dichtelement (60) jeweils in eine dieser Nuten (55) hineinragt,
d) durch die Bewegung (B) des dritten Hitzeschildelements (53) wird das Dichtelement
(60) jeweils in die zweite Position bewegt, und
e) das dritte Hitzeschildelement (53) wird auf der Tragstruktur (45) verankert.