Die Erfindung betrifft Gasturbinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist allgemein bekannt und üblich, in Gasturbinen segmentierte Hitzeschilde vorzusehen, um die thermische Beanspruchung des Gasturbinengehäuses zu begrenzen.

Die EP 1 225 305 B1 zeigt "lehrbuchmäßig" auf, wie am Hitzeschild hohe Spannungskonzentrationen, die im Betrieb aufgrund hoher Temperatur- und Druckbeaufschlagung verursacht werden können, vermindert bzw. sicher vom Bauteil aufgenommen werden können.

Mittels einer verstärkten Leichtbaukonstruktion mit spezieller Rippengestaltung am Außenrand sowie in den Querrichtungen, wie sie zum Beispiel in Fig. 2 der EP 1 225 305 B1 dargestellt sind, wird das bekannte Hitzeschildsegment entlang kritischer Linien verstärkt. Dabei erstrecken sich die quer verlaufenden Verstärkungsrippen (10a, 10b) sowohl in Umfangs- als auch in Längsrichtung.

Die US 5 380 150 zeigt als weiteres Beispiel in Fig. 3 ein unter hohen thermischen Spannungen stehendes Hitzeschildsegment mit geschlossenem Rippenkranz und daran angrenzenden Verstärkungshöckern an den Endbereichen in Umfangsrichtung der Segmente. Hier erstreckt sich allerdings der Rippenkranz im Innenbereich und nicht im Endbereich des Hitzeschildes.

Im Übrigen sind Konstruktionen bekannt, bei denen aus Gewichtsgründen die Rippen möglichst kurz bemessen werden, z.B. in Form von Rippenansätzen oder Erhöhungen, so dass eine zwischen den Endbereichen des Segmentes durchlaufende Rippe erübrigt wird. Jedoch ist aus dem Stand der Technik keinerlei Hinweis darauf zu entnehmen, dass speziell in einem gekrümmten Längsabschnitt des Hitzeschildsegmentes, wie es beispielsweise aus der DE 10 2005 013 798 A1 bekannt ist, in Umfangsrichtung aus den Endrippen herausragend jeweils eine Erhöhung mit spezieller Form vorgesehen werden sollte, um eine lokal gezielt eingesetzte Verstärkung gewichts- und spannungsoptimiert zu erreichen.

Hier setzt die Erfindung an. Dabei liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbine mit Hitzeschildsegmenten für den Stator der Gasturbine mit verbesserter Konstruktion bereit zu stellen, wobei die Spannungen im gekrümmten Bereich des Hitzeschildsegmentes deutlich vermindert werden sollen.

Erfindungsgemäß wird dies durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Bei der Erfindung ist besonders bemerkenswert, dass das Hitzeschildsegment der Gasturbine in mindestens einem Bereich des Profils in Längsrichtung der Gasturbine einen gekrümmten Abschnitt aufweist, wobei eine radial äußere Fläche des Hitzeschildsegmentes im Bereich des gekrümmten Abschnitts in einem ersten Endbereich in Umfangsrichtung der Turbine mit einer sich in Umfangsrichtung der Turbine erstreckenden Erhöhung versehen ist. Dadurch werden die Spannungen im Hitzeschildsegment im Bereich des gekrümmten Abschnittes vermindert. Dies führt zu einer erheblichen Verlängerung der Lebensdauer.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Länge der Erhöhung in Umfangsrichtung weniger als ein Viertel der Gesamtlänge des Hitzeschildsegmentes in Umfangsrichtung. Gleichwohl wird das Hitzeschildsegment genügend verstärkt, ohne dass eine zwischen den Endbereichen verlaufende Rippe vorgesehen werden muss, was zusätzlichen Metallverbrauch vermeidet, so dass das Gewicht des Hitzeschildes gering gehalten werden kann.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen schematisch dargestellt und im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.

Es zeigen, jeweils schematisch,

Figur 1

in perspektivischer Ansicht ein Hitzeschildsegment gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Figur 2

einen Schnitt durch das Hitzeschildsegment in Figur 1 im Bereich der Erhöhung entlang der Linie A-A,

Figur 3

einen Querschnitt durch einen Turbinenabschnitt mit einem Hitzeschildsegment gemäß einem Vorversuch der Patentinhaberin, bzw. -anmelderin,

Figur 4

in perspektivischer Ansicht ein Hitzeschildsegment gemäß dem Vorversuch der Patentinhaberin, bzw. -anmelderin.

In Figur 4 ist ein Hitzeschildsegment 1 nach dem aus Vorversuchen bekannten Stand der Technik dargestellt. Ein Hitzeschild kann eine Anzahl von solchen Hitzeschildsegmenten 1 enthalten, die eine äußere Begrenzung einer heißen Gasströmung entlang den Turbinenlaufschaufeln 2 (vgl. z.B. Figur 3) bilden. Das Profil des Hitzeschildsegments 1 passt sich der grundsätzlich konischen Führung eines Turbinenrotors (nicht gezeigt) an, und weist einen gestuften Querschnitt auf, wie aus der Figur 3 zu erkennen ist. An der radial Außenseite des Hitzeschildsegments 1 sind Halterungseiementen 3, 4 angeordnet, die zur Positionierung des Hitzeschildsegments 1 in radialer Richtung und in Umfangsrichtung dienen.

In Figur 3 ist ein Querschnitt durch einen Turbinenabschnitt mit einem Hitzeschildsegment nach dem besagten Stand der Technik dargestellt. Die Turbinenschaufeln 2 des Turbinenrotors weisen ein umlaufendes, auf der radialen Außenseite des Turbinenrotors angeordnetes und zylindrisch verlaufendes Deckband 5 auf. Das Deckband 5 hat auf seiner radialen Außenseite zwei sich radial auswärts erstreckende Rippen 6. Den beiden Rippen 6 in radialer Richtung gegenüberliegend sind am Hitzeschildsegment 1 jeweils Honigwabenstrukturen 7 ortsfest verbunden, die der Abdichtung des Abstandes zwischen der Rippenspitze 6 und dem Hitzeschildsegment 1 dienen. Die Innenform 8 des Hitzeschilds verläuft in einem ersten Abschnitt 9 im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Turbine. Stromaufwärts des ersten flachen Abschnitts 9 kann die Innenform 8 des Hitzeschildsegments 1 in einem zweiten Abschnitt 11 schräg zur Längsachse der Turbine verlaufen, wobei die Strömungsrichtung des Heißgases durch die Turbine mit Pfeil 10 bezeichnet ist. Da das Hitzeschildsegment 1 der hohen Temperatur des Heißgasstroms und dem hohen Druckverlust in Strömungsrichtung ausgesetzt ist, kann es im gekrümmten Bereich 12 des Hitzeschildsegments 1 zwischen dem ersten Abschnitt 9 und dem zweiten Abschnitt 11 und insbesondere in den Endbereichen 13 des Hitzeschildsegments 1 in Umfangsrichtung der Turbine zu hohen Spannungen führen, die die Lebensdauer des Hitzeschildsegments 1 beträchtlich beschränken können.

In Figur 1 ist ein Hitzeschildsegment 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Gleiche Bauteile werden mit gleichen Bezugszeichen versehen. Erfindungsgemäß ist eine radial Außenseite 15 des Hitzeschildsegments 1 im Bereich des gekrümmten Abschnitts 12 und in mindestens einem Endbereich 13 des Hitzeschildsegments 1 in Umfangsrichtung mit einer sich in Umfangsrichtung der Turbine erstreckenden Erhöhung 14 oder Ansatz versehen. Diese Erhöhung 14 oder Ansatz reduziert die Spannungskonzentration in diesem Bereich des Hitzeschildsegments 1. Eine Erhöhung oder Ansatz kann jeweils am jeweiligen Ende 13 des Hitzeschildsegments 1 vorgesehen werden.

Vorzugsweise ist die Erhöhung oder der Ansatz in Längsrichtung der Turbine an einer Stelle, an der der erste Abschnitt 9 und der zweite Abschnitt 11 sich treffen, angeordnet.

Vorzugsweise beträgt die Länge der Erhöhung 14 in Umfangsrichtung weniger als ein viertel der Gesamtlänge des Hitzeschildsegments 1 in Umfangsrichtung. Hierbei kann der zusätzliche Metallverbrauch gering gehalten werden, weil keine zwischen den Enden des Hitzeschildsegments 1 verlaufende Rippe vorgesehen werden muss. Dadurch kann das Gewicht des Hitzeschildsegments 1 gering gehalten werden.

In der bevorzugten Ausführungsform in Figur 1 ist vorzugsweise die radial äußere Fläche 15 des Hitzeschildsegments 1 mit zwei Rippen 16 versehen, die sich jeweils an den Enden des Hitzeschildsegments 1 in Umfangsrichtung der Turbine in Längsrichtung der Turbine zumindest teilweise erstrecken. Die Erhöhung 14 oder Ansatz ragt aus der jeweiligen Rippe 16 in Umfangsrichtung heraus. Hierbei kann das Profil des Hitzeschildsegments 1 in Umfangsrichtung der Turbine und im Bereich der Erhöhung 14 eine zweistufige Form aufweisen, wie aus der Figur 2 ersichtlich ist. Vorzugsweise verhält sich die Länge der Erhöhung in Umfangsrichtung der Turbine zur Breite der Erhöhung in Längsrichtung der Turbine im Verhältnis 1:2 bis 3:1.

In einer weitern Ausführungsform (nicht gezeigt) weist das Hitzeschildsegment 1 an mindestens zwei Stellen des Hitzeschildsegmentprofils in Längsrichtung der Turbine einen gekrümmten Abschnitt auf, dass heißt, dass der Hitzeschildquerschnitt im Wesentlichen zweistufig ausgebildet ist. In diesem Fall ist die radiale Außenseite des Hitzeschildsegments jeweils in den Bereichen der gekrümmten Abschnitte und in einem ersten und/oder einem zweiten Endbereich in Umfangsrichtung des Hitzeschildsegments jeweils mit einer sich in Umfangsrichtung der Turbine erstreckenden Erhöhung 14 versehen.

Ein Hitzeschild kann mit einer Anzahl von erfindungsgemäßen Hitzeschildsegmenten 1 ausgestattet sein, die eine äußere Begrenzung einer heißen Gasströmung entlang den Turbinenlaufschaufeln 2 (vgl. z.B. Figur 3) bilden. Die Hitzeschildsegmente 1 sind mit einer in Längsrichtung der Turbine verlaufenden Nut 17 jeweils in den Endseiten versehen, wie aus der Figur 2 ersichtlich ist. Die Nuten 17 von zwei benachbarten Hitzeschildsegmenten 1 dienen dazu, eine Dichtungsplatte (nicht gezeigt) aufzunehmen, die das Eindringen von heißen Verbrennungsgasen in den mit Kühlluft gefüllten Hohlraum 18 zwischen dem Hitzeschild und dem Turbinengehäuse 19 verhindert.

Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung.

1

Hitzeschildsegment

2

Turbinenlaufschaufel

3

Halterungselement

4

Halterungselement

5

Deckband

6

Rippe

7

Honigwabenstruktur

8

Innenform

9

erster Abschnitt

10

Strömungsrichtung

11

zweiter Abschnitt

12

gekrümmter Bereich

13

Endbereich

14

Erhöhung

15

radiale Außenseite

16

Rippe

17

Nut

18

Hohlraum

19

Turbinengehäuse