Hitzeschild

Abstract

 Ein erfindungsgemäßer Hitzeschild an einer Tragstruktur (50), insbesondere an einer metallischen Tragstruktur, zum Schutz der Tragstruktur (50) und/oder einer die Tragstruktur (50) umfassenden oder mit der Tragstruktur (50) verbundenen Wand gegen ein heißes Medium, bspw. ein strömendes Heißgas, umfasst eine Anzahl an der Tragstruktur (50) befestigter Hitzeschildelemente (10). Die Hitzeschildelemente (10) sind erfindungsgemäß mittels einer formschlüssigen Verbindung (24, 52) an der Tragstruktur (50) fixiert.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hitzeschild an einer Tragstruktur zum Schutz der Tragstruktur und/oder einer die Tragstruktur umfassenden oder mit der Tragstruktur verbundenen Wand gegen strömendes Heißgas, welcher einer Anzahl an der Tragstruktur befestigter Hitzeschildelemente umfasst, eine Tragstruktur zum Halten von Hitzeschildelementen sowie eine Hitzeschildelement.

[0002] In Brennkammern oder Flammrohren, die etwa Teil eines Brennofens, eines Heißgaskanals oder einer Gasturbine sein können und in denen ein heißes Medium erzeugt oder geführt wird, kommen Hitzeschilde zum Einsatz. Beispielsweise sind thermisch hoch belastete Brennkammern von Gasturbinen zum Schutz der Brennkammern vor zu hoher thermischer Beanspruchung mit einem Hitzeschild ausgekleidet. Der Hitzeschild umfasst typischerweise eine Anzahl flächendeckend angeordneter metallischer oder keramischer Hitzeschildelemente (im Folgenden lediglich als Hitzeschildelemente bezeichnet), die von einer in der Brennkammerwand ausgebildeten, in der Regel metallischen Tragstruktur gehalten werden. Die Hitzeschildelemente weisen eine der Tragstruktur zugewandte Kaltseite und eine dem heißen Medium zugewandte Heißseite auf und schirmen die Wandung der Brennkammer und die Tragstruktur gegen das heiße Medium, etwa ein heißes Verbrennungsgas, ab, wodurch sie einer übermäßigen thermischen Belastung der Brennkammerwand sowie der Tragstruktur entgegenwirken.

[0003] Bislang werden die keramischen Hitzeschildelemente mit Hilfe metallischer Elementhalter an einer Tragstruktur der Brennkammerwand, welche Nuten zum Einführen bestimmter Abschnitte der Elementhalter aufweist, befestigt. Die in Nuten der Tragstruktur eingeschobenen Elementhalter werden üblicherweise mit der Tragstruktur verschraubt. Die Elementhalter umfassen neben dem zum Einführen in die Nuten bestimmten Abschnitt einen Kopfteil, welcher in die Nut einer die Heißseite mit der Kaltseite verbindenden Umfangsfläche des Hitzeschildelementes eingreift, um dieses an der Tragstruktur zu fixieren. Ein derartiger Hitzeschild ist beispielsweise in EP 0 558 540 beschrieben.

[0004] Um eine Wärmeausdehnung der Hitzeschildelemente während des Betriebs der Brennkammer zu ermöglichen, sind die Hitzeschildelemente unter Spaltbelassung flächendeckend nebeneinander angeordnet, d.h. zwischen ihren Umfangsflächen sind Spalte vorhanden, in welche das heiße Medium eindringen kann. Durch die Spalte kann das heiße Medium zu den Elementhaltern gelangen. Da die metallischen Elementhalter bei den in der Brennkammer herrschenden Temperaturen verzundern bzw. schmelzen würden, werden sie mittels Kühlluft gekühlt, die durch Bohrungen in der Tragstruktur in die Spalte strömt. Diese Kühlluft wird am Verdichterende der Gasturbine entnommen und steht daher dem Verbrennungsprozess nicht mehr zur Verfügung, was zu einer Erhöhung der NO_x-Emission führt.

[0005] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Hitzeschild zur Verfügung zu stellen.

[0006] Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein geeignetes Hitzeschildelement für den erfindungsgemäßen Hitzeschild zur Verfügung zu stellen.

[0007] Schließlich ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine geeignete Tragstruktur für den erfindungsgemäßen Hitzeschild zur Verfügung zu stellen.

[0008] Die erste Aufgabe wird durch ein Hitzeschild nach Anspruch 1, die zweite Aufgabe durch ein Hitzeschildelement nach Anspruch 6 und die dritte Aufgabe durch eine Tragstruktur nach Anspruch 11 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung.

[0009] Ein erfindungsgemäßer Hitzeschild an einer Tragstruktur, insbesondere an einer metallischen Tragstruktur, zum Schutz der Tragstruktur und/oder einer die Tragstruktur umfassenden oder mit der Tragstruktur verbundenen Wand gegen ein heißes Medium, bspw. ein Heißgas, umfasst eine Anzahl an der Tragstruktur befestigter Hitzeschildelemente, welche bspw. aus einem keramischen oder einem metallischen Material hergestellt sein können. Die Hitzeschildelemente sind erfindungsgemäß mittels einer formschlüssigen Verbindung an der Tragstruktur fixiert.

[0010] Da im erfindungsgemäßen Hitzeschild die Verbindung zwischen Hitzeschildelement und Tragstruktur per Formschluss erzielt wird, sind keine metallischen Halteelemente mehr nötig, die mittels Kühlluft gekühlt werden müssten. Somit ist eine Einsparung von Kühlluft und dadurch eine Verringerung der NO_x-Emission möglich. Insbesondere keramische Hitzeschilde können die in den Gasturbinenbrennkammern herrschenden Temperaturen ungekühlt ertragen. Außerdem kann Material eingespart werden, da sowohl die Elementhalter als auch die Befestigungsschrauben zum Befestigen der Elementhalter an der Befestigungsstruktur nicht mehr benötigt werden.

[0011] Da Hitzeschildelemente, insbesondere keramische Hitzeschildelemente häufig gegossen werden, kann die Form der der Tragstruktur zuzuwendenden Kaltseite von keramischen Hitzeschildelementen relativ frei gewählt werden, so dass sie derart ausgestaltet werden kann, dass sie zusammen mit einer entsprechenden Formgebung der Tragstruktur einen guten Formschluss ermöglicht.

[0012] Die erfindungsgemäße formschlüssige Befestigung der Hitzeschildelemente an der Tragstruktur stellt gegenüber dem Stand der Technik ein völlig anderes Befestigungsprinzip dar.

[0013] In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Hitzeschildes weisen die Hitzeschildelemente an ihrer der Tragstruktur zuzuwendenden Kaltseite jeweils mindestens einen Profilfuß mit Profilflächen auf, wobei die Profilflächen erste Wirkflächen für die formflüssige Verbindung darstellen. Entsprechend besitzt die Tragstruktur mindestens eine Profilnut mit Profilflächen, die zweite Wirkflächen für die formschlüssige Verbindung darstellen und zusammen mit den Profilflächen des Profilfußes, also zusammen mit den ersten Wirkflächen, Wirkflächenpaare für den Formschluss bilden.

[0014] Da Hitzeschildelemente, insbesondere keramische Hitzeschildelemente, wie oben erwähnt, in der Regel gegossen werden, kann die Formgebung des Profilfußes relativ frei gewählt werden. Dies ermöglicht es, für den Profilfuß und die Profilnut relativ einfache Formen zu wählen. Dadurch können bei der Fertigung der Hitzeschilde deutliche Einsparungen erzielt werden, da anders im Stand der Technik nicht mehr zwei komplex geformte Nuten in die Tragstruktur eingebracht werden müssen, sondern eine breite, einfacher geformte Nut ausreicht. Außerdem können sämtliche Kühlluftbohrungen sowie sämtliche Befestigungsbohrungen für das Befestigen der Elementhalter an der Tragstruktur wegfallen.

[0015] In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Hitzeschildes erstrecken sich die Profilflächen der Profilnut senkrecht zur Strömungsrichtung des heißen Mediums, d.h. senkrecht zur Axialrichtung der Gasturbine. Entsprechendes gilt dann für die mit den Profilflächen der Profilnut zusammenwirkenden Profilflächen der Profilfüße der Hitzeschildelemente. Die Hitzeschildelemente sind dann gegen Verschiebungen in Axialrichtung der Gasturbine gesichert.

[0016] In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Hitzeschildes sind die Wirkflächen der Hitzeschildelemente und/oder der mindestens einen Profilnut mit einer reibungsvermindernden Beschichtung versehen, so dass sich die Hitzeschildelemente nach Einführen des Profilfußes in die Profilnut leichter entlang der Nut verschieben lassen. Dadurch lässt sich das Verschieben und damit Plazieren der Hitzeschildelemente in der Nut beim Aufbau des Hitzeschildes erleichtern. Als hitzebeständiges Material eignet sich insbesondere Teflon als Material für die reibungsvermindernde Beschichtung.

[0017] Ein erfindungsgemäßes Hitzeschildelement, welches insbesondere zum Aufbau eines erfindungsgemäßen Hitzeschildes geeignet ist, weist eine Kaltseite auf, die einer das Hitzeschildelement haltenden Tragstruktur zuzuwenden ist. Das Hitzeschildelement weist außerdem kaltseitig mindestens einen Profilfuß mit Profilflächen, welche erste Wirkflächen für eine formschlüssige Verbindung mit der Tragstruktur darstellen, auf. Ein derartiges Hitzeschildelement eignet sich zum formschlüssigen Verbinden mit einer geeignet ausgebildeten Tragstruktur.

[0018] Insbesondere können die Profilflächen derart am Profilfuß angeordnet sein, dass sie sich nach dem Befestigen an der geeigneten Tragstruktur senkrecht zur Strömungsrichtung des heißen Mediums, d.h. senkrecht zur Axialrichtung der Gasturbine, erstrecken. Der Profilfuß des erfindungsgemäßen Hitzeschildelementes kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass Umfangsflächen des Hitzeschildelementes, welche die Kaltseite mit einer Heißseite verbinden und sich nach dem Befestigen an der Tragstruktur senkrecht zur Strömungsrichtung des Heißgases erstrecken, Rücksprünge oder Nuten aufweisen, welche das Hitzeschildelement in einen eigentlichen Schildteil und den Profilfuß unterteilen. Der eigentliche Schildteil des Hitzeschildelementes kann dabei insbesondere im Vergleich zu Hitzeschildelementen nach Stand der Technik unverändert ausgebildet sein.

[0019] Um das Plazieren des Hitzeschildelementes in der Profilnut zu erleichtern, kann es eine reibungsvermindernde Beschichtung aufweisen, die insbesondere als Teflonbeschichtung ausgebildet sein kann.

[0020] Ein erfindungsgemäße Tragstruktur für einen Hitzeschild zum Halten von Hitzeschildelementen an einer gegen ein heißes Medium zu schützenden Wand umfasst eine Profilnut, welche Profilflächen aufweist, die Wirkflächen für eine formschlüssige Verbindung mit den Hitzeschildelementen umfasst. Die erfindungsgemäße Tragstruktur ermöglicht es, zusammen mit geeigneten Hitzeschildelementen einen erfindungsgemäßen Hitzeschild aufzubauen.

[0021] Insbesondere kann sich die Profilnut senkrecht zur Strömungsrichtung des heißen Mediums erstrecken, d.h. senkrecht zur Axialrichtung der Gasturbine, so dass die an der Tragstruktur zu befestigenden Hitzeschildelemente in axialer Richtung der Gasturbine gesichert sind.

[0022] Die Profilflächen der erfindungsgemäßen Tragstruktur können eine reibungsvermindernde Beschichtung aufweisen, um das Plazieren der Hitzeschildelemente in der Profilnut zu vereinfachen. Die reibungsvermindernde Beschichtung kann insbesondere eine Teflonbeschichtung sein.

[0023] In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Tragstruktur umfasst jede Profilnut mindestens eine Einfädelstelle zum Einführen von Profilfüßen von Hitzeschildelementen in die jeweilige Profilnut.

[0024] Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.

[0025] Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes keramisches Hitzeschildelement in einer perspektivischen Ansicht.

[0026] Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Tragstruktur in einer perspektivischen Ansicht.

[0027] Fig. 3 zeigt die formschlüssige Verbindung eines keramischen Hitzeschildelementes mit der Tragstruktur in einer geschnittenen Seitenansicht.

[0028] Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes keramisches Hitzeschildelement für eine Heißgas führende Brennkammer einer Gasturbine in einer perspektivischen Ansicht. Das Hitzeschildelement 10 umfasst einen dem Heißgas in der Gasturbinenbrennkammer zuzuwendende Heißseite 12, eine einer das Hitzeschildelement 10 haltenden Tragstruktur zuzuwendende Kaltseite 14 sowie die Kaltseite 14 mit der Heißseite 12 verbindende Umfangsseiten bzw. Umfangsflächen 16, 18. Zwei der Umfangsflächen, nämlich die Umfangsflächen 16, erstrecken sich im in die Gasturbinenbrennkammer eingebauten Zustand des Hitzeschildelementes 10 senkrecht zur Axialrichtung der Gasturbinenbrennkammer und damit senkrecht zur Strömungsrichtung des Heißgases. Die beiden anderen Umfangsseiten 18 erstrecken sich hingegen in Axialrichtung der Gasturbinenbrennkammer, d.h. parallel zur Strömungsrichtung des Heißgases. In den sich im eingebauten Zustand senkrecht zur Axialrichtung der Gasturbine erstreckenden Umfangsflächen 16 sind Rücksprünge oder Nuten 20 vorhanden, welche das Hitzeschildelement 10 in einen eigentlichen Schildteil 22 und einen Profilfuß 24 unterteilen.

[0029] Der Profilfuß 24 dient zum Befestigen des Hitzeschildelementes 10 in einer Profilnut 52 einer Tragstruktur 50 (siehe Figur 2). Der Profilfuß 24 weist abgeschrägte Flächen 26 auf, die Wirkflächen zum Herstellen einer formschlüssigen Verbindung mit der Profilnut 52 der Tragstruktur 50 darstellen. In der Profilnut 52 sind ebenfalls Wirkflächen 54 ausgebildet, die komplementär zu den Wirkflächen 26 des Profilfußes 24 ausgebildet sind und im Zusammenspiel mit diesen den Formschluss herstellen, welcher das keramische Hitzeschildelement in der Nut 52 hält.

[0030] Ein in die Nut 52 der Tragstruktur 50 eingesetztes keramisches Hitzeschildelement 10 ist in Figur 3 in einer geschnittenen Seitenansicht dargestellt. Zum Verbinden mit der Tragstruktur 50 wird das Hitzeschildelement 10 mit seinem Profilfuß 24 in die Profilnut 52 der Tragstruktur 50 eingeführt. Wenn das Hitzeschildelement 10 eingeführt ist, greifen die Profilkanten 58, 59 der Profilnut 52 in die Nuten 20 des Hitzeschildelementes 10 ein und stellen so den Formschluss her. Sobald der Formschluss hergestellt ist, bilden die Profilflächen 26 des Profilfußes 24 und die Profilflächen 54 der Profilnut 52 Wirkflächen, welche das Hitzeschildelement 10 mittels des Formschlusses in der Nut 52 halten und es damit an der Tragstruktur 50 fixieren.

[0031] Um ein Einführen des Profilfußes 24 des Hitzeschildelementes 10 in die Profilnut 52 zu ermöglichen, weist sie eine Einfädelstelle 60 auf, deren Profilkanten im Vergleich zu den Profilkanten 58, 59 der Profilnut 52 einen größeren Abstand voneinander haben, so dass die Weite der Profilnut 52 im Bereich der Einfädelstelle 60 vergrößert ist, und zwar soviel dass sich der Profilfuß 24 des Hitzeschildelementes 10 in die Profilnut 52 einsetzen lässt. Von der Einfädelstelle 60 aus wird das Hitzeschildelement 10 dann an seinen Bestimmungsort innerhalb der Profilnut 52 verschoben. Um das Verschieben innerhalb der Profilnut 52 zu erleichtern, können die Profilflächen 26 des Profilfußes 24 oder die Profilflächen 54 der Profilnut 52 mit einer die Gleitreibung vermindernden Beschichtung versehen sein. Als Material für die Beschichtung bietet sich aufgrund seiner hohen Temperaturresistenz Teflon an. Selbstverständlich können auch sowohl die Profilflächen 54 der Profilnut 52 als auch die Profilflächen 26 des Profilfußes 24 mit der reibungsvermindernden Beschichtung versehen sein. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn auch die Kaltseite 14 des Hitzeschildelementes sowie der Profilboden 56 der Profilnut 52 mit der reibungsvermindernden Beschichtung versehen sind. Wenn alle Hitzeschildelemente 10 in die Profilnut 52 eingesetzt sind, wird die Einfädelstelle 60 mit einem speziellen Hitzeschildelement (nicht dargestellt) verschlossen. Dieses Hitzeschildelement kann beispielsweise in konventioneller Weise mittels Elementhaltern in der Nut befestigt werden.

[0032] Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem nur die Steinhalter in die Nuten eingeschoben werden, werden die Hitzeschildelemente in der vorliegenden Erfindung direkt in die Nuten der Tragstruktur eingeschoben, ohne dass metallische Halter nötig wären.

Ansprüche

1. Hitzeschild an einer Tragstruktur (50) zum Schutz der Tragstruktur (50) und/oder einer die Tragstruktur (50) umfassenden oder mit der Tragstruktur (50) verbundenen Wand gegen ein heißes Medium, welcher eine Anzahl an der Tragstruktur (50) befestigter Hitzeschildelemente (10) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Hitzeschildelemente (10) mittels einer formschlüssigen Verbindung (24, 52) an der Tragstruktur (50) fixiert sind.

2. Hitzeschild nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Hitzeschildelemente (10) jeweils eine der Tragstruktur (50) zuzuwendende Kaltseite (14) aufweisen und jeweils kaltseitig mindestens einen Profilfuß (24) mit Profilflächen (26), welche erste Wirkflächen für die formschlüssige Verbindung darstellen, besitzen, und

- die Tragstruktur (50) mindestens eine Profilnut (52) mit Profilflächen (54) aufweist, wobei die Profilflächen (54) der Profilnut (52) zweite Wirkflächen für die formschlüssige Verbindung darstellen und zusammen mit den Profilflächen (26) des Profilfußes (24) Wirkflächenpaare für den Formschluss bilden.

3. Hitzeschild nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das heiße Medium ein strömendes heißes Medium ist und sich die Profilflächen (54) der Profilnut (52) senkrecht zur Strömungsrichtung des heißen Mediums erstrecken.

4. Hitzeschild nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkflächen (26, 54) des Profilfußes(24) und/oder der mindestens einen Profilnut (52) mit einer reibungsvermindernden Beschichtung versehen sind.

5. Hitzeschild nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die reibungsvermindernde Beschichtung eine Teflon-Beschichtung ist.

6. Hitzeschildelement, insbesondere zum Aufbau eines Hitzeschildes nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Kaltseite (14), welche einer das Hitzeschildelement (10) haltenden Tragstruktur (50) zuzuwenden ist, dadurch gekennzeichnet, dass kaltseitig mindestens ein Profilfuß (24) mit Profilflächen (26), welche erste Wirkflächen für eine formschlüssige Verbindung mit der Tragstruktur (50) darstellen, vorhanden ist.

7. Hitzeschildelement nach Anspruch 6, insbesondere zum Aufbau eines Hitzeschildes nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilflächen (26) derart am Profilfuß (24) angeordnet sind, dass sie sich nach dem Befestigen an der Tragstruktur (50) senkrecht zur Strömungsrichtung des heißen Mediums erstrecken.

8. Hitzeschildelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es die Kaltseite (14) mit einer dem heißen Medium zuzuwendenden Heißseite (12) verbindende Umfangsflächen (16, 18) besitzt, wobei in denjenigen Umfangsflächen (16), die sich nach dem Befestigen an der Tragstruktur (50) senkrecht zur Strömungsrichtung des heißen Mediums erstrecken, Nuten (20) vorhanden sind, die das Hitzeschildelement (10) in einen Schildteil (22) und den Profilfuß (24) unterteilen.

9. Hitzeschildelement nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilflächen (26) eine reibungsvermindernde Beschichtung aufweisen.

10. Hitzeschildelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die reibungsvermindernde Beschichtung eine TeflonBeschichtung ist.

11. Tragstruktur für einen Hitzeschild zum Halten von Hitzeschildelementen (10) an einer gegen ein heißes Medium zu schützenden Wand mit mindestens einer Profilflächen (54) aufweisenden Profilnut (52), dadurch gekennzeichnet, dass die Profilflächen (54) Wirkflächen zum Herstellen einer formschlüssigen Verbindung mit Wirkflächen (26) der Hitzeschildelemente (10) bilden.

12. Tragstruktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das heiße Medium ein strömendes heißes Medium ist und sich die Profilnut (52) senkrecht zur Strömungsrichtung des heißen Mediums erstreckt.

13. Tragstruktur nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilflächen (54) eine reibungsvermindernde Beschichtung aufweisen.

14. Hitzeschildelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die reibungsvermindernde Beschichtung eine TeflonBeschichtung ist.

15. Tragstruktur nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass jede Profilnut (52) eine Einfädelstelle (60) zum Einführen von Profilfüßen (24) von Hitzeschildelementen (10) in die jeweilige Profilnut (52) aufweist.

Zeichnung