BEFESTIGUNGSSCHRAUBE FÜR EIN HITZESCHILDELEMENT

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Befestigungsschraube (26) für ein Hitzeschildelement (14b), welches zur Verwendung bei einer Brennkammer (4) einer Gasturbine (1) vorgesehen ist, umfassend einen Schraubenschaft (28) und einen Schraubenkopf (30). Im Bereich des Schraubenkopfs (30) ist eine transparente Abdeckung (34) angeordnet, die zumindest teilweise der Umgebung unmittelbar ausgesetzt ist, wobei die transparente Abdeckung (34) eine Durchgangsbohrung (32) verschließt, die entlang des Schraubenschafts (28) verläuft. Auf diese Weise eignet sich die Befestigungsschraube (26) für den Einsatz als Flammwächter, so dass die Anzahl der Komponenten zum Aufbau eines Hitzeschilds der Brennkammer (4) reduziert ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Befestigungsschraube für ein Hitzeschildelement, welches zur Verwendung bei einer Brennkammer einer Gasturbine vorgesehen ist, umfassend einen Schraubenschaft und einen Schraubenkopf. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Hitzeschildelementanordnung, umfassend ein Hitzeschildelement sowie eine solche Befestigungsschraube, die in einer Aufnahme am Hitzeschildelement eingeführt ist. Die Erfindung betrifft zudem die Verwendung einer solchen Befestigungsschraube.

[0002] In der Brennkammer einer Gasturbine treten sehr hohe Temperaturen auf, welche ohne eine wirksame Schutzmaßnahme zu einer unmittelbaren Schädigung an der Gasturbine führen. Daher wird in bekannter Weise ein Hitzeschild eingesetzt, welches eine Trennung zwischen der heißen Brennkammer und der vor thermischer Schädigung zu schützenden Struktur hinter dem Hitzeschild bewirkt. Hierzu wird der Hitzeschild mit keramischen Hitzeschildkacheln und/oder metallischen Hitzeschildelementen ausgekleidet.

[0003] Die Hitzeschildkacheln bzw. die Hitzeschildelemente weisen in der Regel eine flächige bzw. leicht gewölbte Gestalt mit einer zur Brennkammer gerichteten Heißseite und einer gegenüberliegenden Kaltseite und umlaufenden Rändern auf. Diese Hitzeschildelemente werden in mehrfacher Anordnung nebeneinander an einer Tragstruktur befestigt, so dass ein weitgehend geschlossener Hitzeschild gebildet wird.

[0004] Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Lösungen zur Befestigung von Hitzeschildelementen an einer Tragstruktur einer Brennkammer bekannt. Aufgrund von auftretenden Wärmedehnungen sowie Vibrationen ist es zwingend notwendig, eine elastische Befestigung der Hitzeschildelemente in der Brennkammer vorzusehen. Hierzu werden verschiedene Lösungen eingesetzt, wobei die Hitzeschildelemente entweder mit einer elastischen Klammer befestigt werden oder mit einem federnd gelagerten Befestigungsbolzen. Zur einfachen Realisierung einer elastischen Befestigung des Befestigungsbolzens werden in bekannter Weise in der Tragstruktur der Brennkammer an den einzelnen Befestigungsstellen Federpakete vorgesehen, die auf unterschiedliche Art und Weise an der Tragstruktur angeordnet sein können. In einfachster Weise werden auf der von dem Brennkammerinneren wegweisenden Rückseite eine Vielzahl an Tellerfedern, sowie eine Befestigungsmutter angeordnet.

[0005] Allein die Verwendung von Hitzeschildelementen ist in aller Regel jedoch unzureichend, um eine fortschreitende Schädigung zu verhindern. Daher wird in bekannter Weise Kühlluft eingesetzt, um das Entstehen kritischer Bauteiltemperaturen zu verhindern. Hitzeschildelemente weisen zwar eine höhere Temperaturbeständigkeit auf, dennoch sind insbesondere metallische Hitzeschildelemente im Betrieb der Gasturbine zu kühlen.

[0006] Zum Zweck der Flammenüberwachung sind in einigen Hitzeschildelementen der Brennkammer Flammenwächter angebracht. Hierzu werden insbesondere metallische Hitzeschildelemente verwendet, welche mit einer zusätzliche Bohrung für den Flammenwächter versehen sind. Solche Attrappen weisen unter einer Deckplatte eine aufwändige Unterkonstruktion auf. Der Flammenwächter hat die Funktion, die Ausbildung der Flamme sowie ggf. eine geordnete und kontinuierliche Verbrennung zu überwachen. Bei den derzeitigen Flammenwächtern liegt eine Schraube mit ihrem Kopf im sogenannten Heiß-Gas-Strahl in der Brennkammer. Um die erhöhten Temperaturanforderungen zu erfüllen und die Lebensdauer sicher zu gewähren, wird die Schraube des Flammenwächters alle 8000 OH getauscht.

[0007] Ein beispielhafter Aufbau eines Flammenwächters ist der WO 2010/125016 A2 zu entnehmen. Mit Hilfe des Flammenwächters wird hierbei das Emissionsspektrum der Flammen aufgenommen und im Hinblick auf eine Flammentemperatur sowie eine Brennstoffzusammensetzung ausgewertet.

[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vereinfachung des Aufbaus des Hitzeschilds einer Brennkammer zu ermöglichen.

[0009] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Befestigungsschraube für ein Hitzeschildelement, welches zur Verwendung bei einer Brennkammer einer Gasturbine vorgesehen ist, umfassend einen Schraubenschaft und einen Schraubenkopf, wobei im Bereich des Schraubenkopfs eine transparente Abdeckung angeordnet ist, die zumindest teilweise der Umgebung unmittelbar ausgesetzt ist, und wobei die transparente Abdeckung eine Durchgangsbohrung verschließt, die entlang des Schraubenschafts verläuft.

[0010] Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch eine Hitzeschildelementanordnung, umfassend ein Hitzeschildelement sowie eine derartige Befestigungsschraube, die in einer Aufnahme am Hitzeschildelement eingeführt ist.

[0011] Die Aufgabe wird schließlich gelöst durch eine Verwendung einer solchen Befestigungsschraube als Flammenwächter zur Detektion einer Flamme in einer Brennkammer.

[0012] Unter "Befestigungsschraube" wird jegliches insbesondere lösbares Verbindungselement verstanden, das im Wesentlichen einen Schaft und einen Kopf aufweist. Insbesondere kann die Befestigungsschraube auch ein Bolzen sein bzw. der Schraubenschaft kann sowohl mit einem Gewinde versehen sein als auch gewindelos ausgeführt sein.

[0013] Unter "der Umgebung unmittelbar ausgesetzt" wird hierbei verstanden, dass die transparente Abdeckung derart positioniert ist, dass elektromagnetische Strahlung, insbesondere Licht, aus der Umgebung auf die Abdeckung einfallen kann. Dies ist insbesondere durch die Position der transparenten Abdeckung realisiert.

[0014] Mit "transparent" wird hierbei die Eigenschaft bezeichnet, elektromagnetische Wellen hindurchzulassen, insbesondere im sichtbaren Spektralbereich oder im Infrarotbereich.

[0015] Die Erfindung basiert auf der Idee, den Aufbau eines Hitzeschilds zu vereinfachen, indem die Anzahl der Hitzeschildkomponenten reduziert wird. Um dies zu erreichen, wird der Flammenwächter in der Art ausgeführt, dass er der Verschraubung eines Hitzeschildelements entspricht. Der wesentliche Unterschied zum bestehenden Design einer Befestigungsschraube für ein Hitzeschildelement ist, dass die erfindungsgemäße Befestigungsschraube, welche zusätzlich die Funktion eines Flammenwächters übernimmt, die transparente Abdeckung aufweist, die in der Regel nach Art einer optischen Linse aus Quarz oder einem anderen hitzebeständigen Material ausgeführt ist und somit eine Flammendetektion in der Brennkammer ermöglicht. Durch die Zusammenfassung zweier Komponenten bei vollständiger Funktionserfüllung wird zum einen die Anzahl der Komponenten zum Aufbau eines Hitzeschilds reduziert, darüber hinaus entfallen die zusätzlichen Bohrungen an der Brennkammerwand für die Flammenwächter.

[0016] Die neuartige Befestigungsschraube, die als Flammenwächter einsetzbar ist, kann in einen bestehenden Hitzeschild integriert werden, indem sie beispielsweise mit einer metallischen Deckplatte ohne zusätzlichen Flammenwächterausschnitt auf dem vorhandenen Attrappenrahmen montiert wird. Dies ist insbesondere bei der Wartung von Brennkammern der Fall. Hierbei kann sowohl der Attrappenrahmen als auch das Tellerfederpaket weiter verwendet werden, was den Einsatz der Befestigungsschraube im Servicebereich erleichtert.

[0017] Darüber hinaus eröffnet die oben beschriebene Befestigungsschraube die Möglichkeit, die Hitzeschildelemente neu zu gestalten. Insbesondere kann dabei der Attrappenrahmen entfallen. Die metallische Flammenwächterattrappe wird ähnlich einem metallischen Hitzeschildelement mit Hilfe der Flammenwächterschraube an einem Tellerfederpacket befestigt und gehalten. Bei dieser Variante ist die Komplexität des Flammenwächters drastisch reduziert, wodurch eine kostengünstigere Produktion bei gleichzeitiger Steigerung der Bauteillebensdauer gewährleistet ist. Zudem kann hierbei die aufwändige Kühlung der Befestigungsschraube bzw. des Flammenwächters reduziert werden, indem der Austrittsbereich des optischen Lichtschachts im Bereich der transparenten Abdeckung relativ klein ausgeführt ist.

[0018] Um einen störungsfreien Einsatz der Befestigungsschraube als Flammenwächter zu ermöglichen, ist die transparente Abdeckung vorzugseise positionsfest im Schraubenkopf angeordnet. Dies bedeutet, dass die transparente Abdeckung sich nicht bewegen, verschieben oder aufklappen lässt. Insbesondere ist die transparente Abdeckung dabei druckdicht am oder im Schraubenkopf befestigt.

[0019] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Schraubenkopf eine Ausnehmung, insbesondere eine zentrale Bohrung auf, an deren Grund die transparente Abdeckung durch eine Haltevorrichtung befestigt ist. Die Haltevorrichtung ist insbesondere in der Ausnehmung enthalten. Auf diese Weise wird verhindert, dass Komponenten der Befestigungsschraube aus der Oberfläche des Schraubenkopfs hinausragen. Indem die transparente Abdeckung versenkt positioniert ist, wird sie zudem von der heißen Strömung im Betrieb der Brennkammer besser geschützt.

[0020] Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Haltevorrichtung eine ringförmige Schraubenmutter, die ein Außengewinde aufweist, welches zu einem Innengewinde der Ausnehmung korrespondiert. Hierdurch wird eine sichere Schraubverbindung zwischen der Haltevorrichtung und dem Schraubenkopf der Befestigungsschraube hergestellt, welche einen sicheren Halt der transparenten Abdeckung im Bereich des Schraubenkopfs gewährleistet.

[0021] Vorzugsweise ist der Innenumfang der Schraubenmutter als ein Mitnahmeprofil für die Aufnahme eines Montage-Werkzeugs, insbesondere als ein Innensechskant ausgestaltet. Über das Montage-Werkzeug, z.B. einen Innensechskantschlüssel, wird die Schraubenmutter dabei sicher in der Ausnehmung des Schraubenkopfs eingeschraubt, so dass die Gefahr, dass sich die Schraubenmutter löst, minimiert ist.

[0022] Alternativ zur Ausführung als Schraubenmutter ist die Haltevorrichtung zweckdienlicherweise in der Ausnehmung verstemmt. Diese Art der kraft- und formschlüssigen Verbindung durch plastisches Verformen sichert den positionsfesten Halt der transparenten Abdeckung. Es kommen hierbei auch andere kraft- und/oder formschlüssige Verbindungen zwischen der Haltevorrichtung und dem Schraubenkopf in Frage.

[0023] Im Hinblick auf eine Flammendetektion in der Brennkammer, wird das auf die transparente Abdeckung einfallende Licht gemessen. Hierzu sind nach einer bevorzugten Ausgestaltung in der Durchgangsbohrung der Befestigungsschraube Mittel zur Übertragung und/oder Auswertung einer auf die transparente Abdeckung einfallenden elektromagnetischen Strahlung, insbesondere Licht, enthalten. Die Messung kann sowohl vor Ort erfolgen, wobei lediglich das Ergebnis an eine externe Recheneinheit, die insbesondere Teil einer Steuerungseinheit ist, mitgeteilt wird. Alternativ können die Messergebnisse auch extern auf der Recheneinheit ausgewertet werden.

[0024] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

FIG 1

eine Gasturbine,

FIG 2

ein Hitzeschildelement gemäß dem Stand der Technik,

FIG 3

eine perspektivische Darstellung einer Hitzeschildelementanordnung mit einem Hitzeschildelement und einer Befestigungsschraube,

FIG 4

einen Querschnitt durch die Hitzeschildelementanordnung gemäß FIG 3,

FIG 5

eine perspektivische Darstellung einer Befestigungsschraube für ein Hitzeschildelement, und

FIG 6

einen Längsschnitt durch die Befestigungsschraube gemäß FIG 5.

[0025] Gleiche Bezugszeichen haben in den Figuren die gleiche Bedeutung.

[0026] Die Gasturbine 1 gemäß FIG 1 weist einen Verdichter 2 für Verbrennungsluft, eine Brennkammer 4, sowie eine Turbine 6 zum Antrieb des Verdichters 2 und eines nicht näher dargestellten Generators auf. Dazu sind die Turbine 6 und der Verdichter 2 auf einer gemeinsamen, auch als Turbinenläufer bezeichneten Turbinenwelle 8, angeordnet, mit der auch der Generator verbunden ist, und die um ihre Mittelachse drehbar gelagert ist.

[0027] Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Brennkammer 4 als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um die Turbinenwelle 8 herum angeordneten Brennern 10 in einem gemeinsamen Brennkammerraum münden. Die Brennkammer 4 ist von einem Brennkammergehäuse begrenzt, wobei brennkammerseitig eine Brennkammerwand 12 gebildet ist.

[0028] Zur Auskleidung einer einem heißen Medium aussetzbaren Heißseite der Brennkammerwand 12 der Brennkammer 4, ist die Verwendung eines Hitzeschilds vorgesehen. Der Hitzeschild umfasst mehrere Hitzeschildelemente, die aus Metall und/oder Keramik ausgebildet sind. In FIG 2 ist ein metallisches Hitzeschildelement 14a nach dem Stand der Technik schematisch dargestellt. Das Hitzeschildelement 14a hat eine Wand 16, welche eine mit einem heißen Medium beaufschlagbare Heißseite 18 (in FIG 2 auf der abgewandten Seite) und eine der Heißseite 18 gegenüberliegende Kaltseite 20 aufweist. Ferner ist im Wesentlichen in der Mitte der Kaltseite 20 der Wand 16 eine Befestigungsvorrichtung 22 angeordnet, welche sich im Wesentlichen senkrecht von der Wand 16 weg erstreckt. Das Hitzeschildelement 14a wird durch die Befestigungsvorrichtung 22 hindurch mit einer Schraube oder einem Bolzen an einer Tragstruktur befestigt.

[0029] In FIG 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Hitzeschildelement 14b und in FIG 4 für eine Hitzeschildelementanordnung 24 (siehe FIG 1), umfassend das Hitzeschildelement 14b sowie eine in einer zentralen Aufnahme 25 eingeführte Befestigungsschraube 26 gezeigt. Die genaue Gestaltung der Befestigungsschraube 26 ist aus FIG 5 und FIG 6 ersichtlich.

[0030] Im gezeigten Ausführungsbeispiel übernimmt die Befestigungsschraube 26 zusätzlich die Funktion als Flammenwächter. Dies ist durch den Aufbau der Befestigungsschraube 26 ermöglicht. Die Befestigungsschraube 26 weist einen Schraubenschaft 28 und einen Schraubenkopf 30 auf. Entlang des Schraubenschafts 28 ist eine Durchgangsbohrung 32 ausgebildet, welche im Bereich des Schraubenkopfs 30 durch eine transparente Abdeckung 34 geschlossen ist. Die transparente Abdeckung 34 ist dabei zumindest teilweise zur Umgebung hin offen, so dass elektromagnetische Strahlung aus der Umgebung auf die Oberfläche der transparenten Abdeckung 34 einfällt. Die Abdeckung 34 ist hierbei insbesondere aus Quarzglas und ist somit für Strahlen im sichtbaren oder Infrarot-Spektrum durchlässig.

[0031] Die Durchgangsbohrung 32 ist zur Aufnahme von hier nicht näher gezeigten Mitteln zur Übertagung und/oder Auswertung der auf die transparente Abdeckung einfallenden Strahlung, welche im Betrieb der Gasturbine 1 durch die Brenner 10 erzeugt wird, vorgesehen.

[0032] Die transparente Abdeckung 34 ist positionsfest im Schraubenkopf 30 angeordnet, indem der Schraubenkopf 30 von der heißen Seite 36 aus betrachtet, eine Ausnehmung 38, insbesondere eine zentrale Bohrung, aufweist, an deren Grund die transparente Abdeckung 34 durch eine ringförmige Schraubenmutter 40 befestigt ist. Die Schraubenmutter 40 weist ein hier nicht näher dargestelltes Außengewinde auf, welches zu einem hier nicht gezeigten Innengewinde der Ausnehmung 38 korrespondiert, so dass die Schraubenmutter 40 in die Ausnehmung 38 eingeschraubt wird. Zum leichten Einschrauben der Schraubenmutter 40 ist der Innenumfang der Schraubenmutter 40 als ein Innensechskant für die Aufnahme eines Innensechskantschlüssels ausgestaltet.

[0033] Bei alternativen Ausführungen kann anstelle der Schraubenmutter 40 eine andere Haltevorrichtung vorgesehen sein, die durch eine andere Art der Verbindung das Quarzglas positionsfest hält, beispielsweise indem sie in der Ausnehmung 38 verstemmt ist.

[0034] Durch die Zusammenfassung der Befestigungsfunktion und der Flammenüberwachungsfunktion in nur einer Einheit wird zum einen die Anzahl der Komponenten zum Aufbau eines Hitzeschilds reduziert, darüber hinaus entfallen die zusätzlichen Bohrungen an der Brennkammerwand 12 für die bisherigen Flammenwächter. Dadurch, dass der Austrittsbereich des optischen Lichtschachts im Bereich der transparenten Abdeckung relativ klein ausgeführt ist, wird hierbei vorteilhafterweise die aufwändige Kühlung der Befestigungsschraube 26 reduziert.

[0035] Die Befestigungsschraube 26 kann z.B. im Rahmen von Wartungsarbeiten in ein bestehendes Hitzeschildkonzept integriert werden, indem sie beispielsweise mit einer metallischen Deckplatte ohne zusätzlichen Flammenwächterausschnitt auf einem vorhandenen Attrappenrahmen montiert wird. Alternativ kann das Hitzeschildelementdesign gemäß FIG 3 und FIG 4 zur Auskleidung der Wand 16 der Brennkammer 4 eingesetzt werden.

Ansprüche

1. Befestigungsschraube (26) für ein Hitzeschildelement (14b), welches zur Verwendung bei einer Brennkammer (4) einer Gasturbine (1) vorgesehen ist, umfassend einen Schraubenschaft (28) und einen Schraubenkopf (30), dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Schraubenkopfs (30) eine transparente Abdeckung (34) angeordnet ist, die zumindest teilweise der Umgebung unmittelbar ausgesetzt ist, wobei die transparente Abdeckung (34) eine Durchgangsbohrung (32) verschließt, die entlang des Schraubenschafts (28) verläuft.

2. Befestigungsschraube (26) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Abdeckung (34) positionsfest im Schraubenkopf (30) angeordnet ist.

3. Befestigungsschraube (26) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schraubenkopf (30) eine Ausnehmung (38), insbesondere eine zentrale Bohrung aufweist, an deren Grund die transparente Abdeckung (34) durch eine Haltevorrichtung befestigt ist.

4. Befestigungsschraube (26) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (38) ein Innengewinde aufweist und die Haltevorrichtung eine ringförmige Schraubenmutter (40) ist, die ein Außengewinde aufweist, welches zum Innengewinde der Ausnehmung (38) korrespondiert.

5. Befestigungsschraube (26) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der Innenumfang der Schraubenmutter(40) als ein Mitnahmeprofil für die Aufnahme (25) eines Montage-Werkzeugs ausgestaltet ist, insbesondere als ein Innensechskant ausgestaltet ist.

6. Befestigungsschraube (26) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung in der Ausnehmung (38) verstemmt ist.

7. Befestigungsschraube (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass in der Durchgangsbohrung (32) Mittel zur Übertragung und/oder Auswertung einer auf die transparente Abdeckung (34) einfallenden elektromagnetischen Strahlung enthalten sind.

8. Hitzeschildelementanordnung (24), umfassend ein Hitzeschildelement (14a, 14b) sowie eine Befestigungsschraube (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die in einer Aufnahme (25) am Hitzeschildelement (14a, 14b) eingeführt ist.

9. Verwendung einer Befestigungsschraube (26) nach Anspruch 1 als Flammenwächter zur Detektion einer Flamme in einer Brennkammer (4).

Zeichnung