DE10155420A1

DE10155420A1 - Hitzeschildanordnung mit Dichtungselement

Info

Publication number: DE10155420A1
Application number: DE10155420A
Authority: DE
Inventors: Miklos Gerendas
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2001-11-12
Filing date: 2001-11-12
Publication date: 2003-05-22
Also published as: US6901757B2; US20030089115A1; DE50208487D1; EP1310735B1; EP1310735A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hitzeschildanordnung mit mehreren Schindeln 1, welche jeweils an einer Wandung 2 gelagert sind, sowie mit zumindest einem zwischen benachbarten Schindeln 1 angeordneten Dichtungselement 3, wobei die Schindeln 1 zur Wandung 2 zur Bildung eines mit Kühlluft beaufschlagbaren Zwischenraums 4 beabstandet sind, dadurch gekennzeichnet, dass abzudichtende Ränder 5 der Schindel 1 mittels Befestigungsmitteln 6 von der Wandung 2 beabstandet gehalten sind und dass das Dichtungselement 3 von der Wandung 2 beabstandet in die Ränder 5 der Schindeln 1 anliegend montiert sind, wobei die Dichtung über diese Ränder gleiten kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hitzeschildanordnung mit mehreren Schindeln, welche jeweils an einer Wandung gelagert sind, sowie mit zumindest einem zwischen benachbarten Schindeln angeordneten Dichtungselement, wobei die Schindeln zur Wandung zur Bildung eines mit Kühlluft beaufschlagbaren Zwischenraums beabstandet sind.
Die Hitzeschildanordnung betrifft eine heißgasführende Struktur, insbesondere in metallisches Bauteil einer Gasturbinenanlage oder Brennkammer einer Gasturbine.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Brennkammerbauteile, z. B. Hitzeschilde oder Schindeln, ohne Dichtelement mit der Wandung einer Brennkammer zu verschrauben. Die Verbindung erfolgt mittels eines Bolzens, wobei die Ränder der Schindel direkt auf der Wandung der Brennkammer aufliegen. Hierbei wird kein Dichtungselement verwendet.
Insgesamt ergibt sich bei diesen Konstruktionen der Nachteil, dass sich die Schindeln bei Temperaturbelastung von der Wandung der Brennkammer abheben. Es bildet sich dabei ein Spalt, durch welchen Kühlluft entweichen kann. Dies führt zu einer weiteren Erhöhung der Temperatur der Schindeln und damit zu einem weiteren Öffnen des Randspaltes. Letztendlich ist ein Versagen der Schindeln oder Hitzeschilde die Folge.

Aus anderen Ausgestaltungsformen sind sog. Streifendichtungen bekannt. Diese werden in seitliche Schlitze zwischen benachbarte Schindeln oder Hitzeschilde eingelegt und dichten diese somit gegeneinander ab. Eine derartige Konstruktion zeigt beispielsweise die DE 10 00 3728. Dort sind derartige Dichtungen als Riffelbleche ausgebildet, die in entsprechende seitliche Nuten der Schindeln eingesteckt sind.

Aus EP 1 130 219 A1 sind klammerartige Dichtungen bekannt, die von der heißgasabgewandten Seite in Nuten des Hitzeschildes eingreifen. Hierbei kann das Dichtelement auch faltenbalgartig oder mehrteilig ausgeführt sein. Eine Verschieblichkeit der Hitzeschilder zueinander im Betrieb der Gasturbinenanlage wird durch Biegen der Schenkel der im wesentlichen U-förmigen Dichtung ermöglicht.

Bei den oben beschriebenen Dichtungen, welche in seitliche Schlitze eingeschoben werden, ergeben sich Nachteile hinsichtlich der Montage und der Kühlung. Die Dichtungen müssen nach der Montage der Schindeln in die Schlitze hineingeschoben und gegen Herausrutschen gesichert werden. Dieser Vorgang ist arbeitsaufwändig und technisch nicht immer ganz einfach, insbesondere da der Zugang zu den Dichtungsschlitzen der einzelnen Schindeln nicht immer gegeben ist. Ein weiterer Nachteil derartiger Konstruktionen liegt darin, dass die Bereiche der Schindeln, die oberhalb der Dichtungen und der für diese vorgesehenen Schlitze liegen, nicht ausreichend mit Kühlluft beaufschlagbar sind.

Dies gilt insbesondere für Dichtungen nach EP 1 130 219 A1, da der Bereich zweier benachbarter Hitzeschilder zwischen den Nuten für die klammerartige Dichtung nicht mit Luft für die bevorzugte Methode der Effusions- oder Transpirationskühlung versorgt werden kann. Außerdem hat die Dichtung eine große radiale Erstreckung und ist somit in axialer Richtung nicht flexibel. Bei unterschiedlichen Wärmedehnungen entlang der Schindelkante durch Temperaturgradienten oder radialen Verformungen aus anderen Gründen ergibt sich eine verminderte Qualität der Dichtwirkung.

Der Erfindung liegt weiterhin die Problematik zu Grunde, dass die üblichen Schindeln mittels eines Bolzens starr mit der Wandung der Brennkammer verschraubt sind. Der Bolzen ist dabei üblicherweise als Gewindebolzen ausgelegt, er wird mittels einer Unterlegscheibe und einer Mutter fixiert. Diese starre Befestigung führt zu einer deutlichen Erhöhung der mechanischen Spannungen im Bauteil. Bei Temperaturerhöhung übersteigen diese schnell die zulässigen Werte, so dass Risse im Material der Wandung der Brennkammer auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Hitzeschildanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, betriebssicherer Anwendbarkeit eine ausreichende Kühlung ermöglicht und eine hohe Lebensdauer aufweist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß ist zunächst vorgesehen, dass abzudichtende Ränder der Schindeln mittels Befestigungselementen von der Wandung beabstandet gehalten sind und dass das Dichtungselement von der Wandung beabstandet gegen die Ränder der Schindeln anliegend montiert ist, wobei die Dichtung über diese Ränder gleiten kann.

Die erfindungsgemäße Schildanordnung zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus.

Da die Dichtung nicht in Schlitze der Schindeln eingelegt ist, sondern zwischen Schindel und Wandung montiert wird, ergibt sich der entscheidende Vorteil, dass die Ränder der Schindel nicht an die Wandung anliegen. Sie werden vielmehr durch die Befestigungselemente in einem bestimmten Abstand von der Wandung gehalten. Hierdurch ist es möglich, dass zum einen die Dichtung stets an beiden Schindeln anliegen kann und dass zum anderen eine ausreichende Durchführung von Kühlluft auch im Bereich der Dichtungen sichergestellt wird. Selbst wenn sich die Schindeln (oder auch die Wandung) durch Wärmeeinwirkung verformen, so ist doch stets eine ausreichende Abdichtung sichergestellt.

Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn seitliche Führungen zur Halterung des Dichtungselements vorgesehen sind. Diese verhindern ein Herausrutschen der Dichtung, so dass diese auch bei auftretenden Schwingungen o. ä. betriebssicher fixiert werden kann, wobei die seitliche Führung der Dichtung genügend Spiel lässt für die Kompensation einer Relativverschiebung zweier benachbarter Schindeln durch Gleiten der Dichtung auf den Schindelrändern.

Um der gesamten Dichtungsanordnung eine ausreichende Flexibilität zu sichern, kann es vorteilhaft sein, wenn die seitlichen Führungen sich nur über einen Teil der Länge des Dichtungselements erstrecken.

Insgesamt ergibt sich somit eine effektivere Ausnutzung der Kühlluft. Dies wiederum führt zu einer Reduzierung der Betriebstemperatur der Schindeln. Die Folge hiervon ist eine größere Lebensdauer der gesamten Hitzeschildanordnung. Weiterhin ist es auch möglich, den Kühlluftverbrauch entsprechend zu verhindern, um den Gesamt-Wirkungsgrad der Gasturbine zu steigern.

Bezüglich der Befestigung der Schindeln ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Befestigungselement als Bolzen ausgebildet ist, welcher eine Ausnehmung der Wandung durchgreift. Dabei ist vorgesehen, dass zumindest an einer Seite der Wandung zumindest ein elastisches Element zwischengelegt ist, wodurch eine Winkelbeweglichkeit der Schindel zur Wandung erreicht wird. In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist es auch möglich, beidseitig der Wandung zumindest ein elastisches Element einzubauen.

Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung, welche auch gänzlich unabhängig von der oben beschriebenen Dichtungsanordnung bei anders ausgestalteten Schindeln verwendet werden kann, ergeben sich u. a. die folgenden Vorteile: Bereits sehr kleine Verschiebungen und Winkeländerungen zwischen der Schindel und der Wandung der Brennkammer können das Spannungsniveau in der Schindel drastisch senken. Diese Beweglichkeit ist durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung sichergestellt. Da im Bereich der Ausnehmung der Wandung, welche erfindungsgemäß selbstverständlich einen etwas größeren Durchmesser aufweisen muss, als der Außendurchmesser des Bolzens, ein elastisches Element angeordnet ist, ist ein entsprechender Verschiebeweg sichergestellt. Diese Beweglichkeit ist ohne eine Vergrößerung der zur Montage benötigten Wandfläche realisierbar. Weiterhin kann sichergestellt werden, dass das aerodynamische Verhalten der Schindel sich durch die Beweglichkeit nicht verändert. Somit werden die Kühlluftströme ebenso wir die Effizienz der Kühlung insgesamt nicht beeinträchtigt.

Mittels des elastischen Elements ergibt sich die Möglichkeit, den Bolzen elastisch zu halten, jedoch gasdicht abzudichten. In diesem Fall ist das elastische Element zugleich als Dichtungselement ausgebildet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das elastische Element auch Schwingungsdämpfungseigenschaften hat, beispielsweise durch die Reibung zwischen den mehreren in einem Paket vorgesehenen elastischen Elementen und/oder der Wandung und der Oberfläche der Schindel.

Durch diese Ausgestaltung ergibt sich eine verringerte Bauteilbelastung, die zu einer Verlängerung der Lebensdauer oder aber auch zu einer Erhöhung der zulässigen Temperatur ausgenutzt werden kann.

Weiterhin ist es vorteilhaft, dass auf einen billigeren, niedriger Anforderungen aufweisenden Werkstoff der Schindeln zurückgegriffen werden kann.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Quer-Schnittansicht der erfindungsgemäßen Hitzeschildanordnung mit Dichtungselement;
Fig. 2 eine perspektivische vereinfachte Ansicht der unterbrochenen Führungsflächen für das Dichtungselement;
Fig. 3 eine vereinfachte Schnittansicht der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Befestigungselements mit elastischen Elementen; und
Fig. 4 eine Ansicht, analog Fig. 3, eines weiteren Ausführungsbeispiels.
In den Ausführungsbeispielen sind gleiche Teile jeweils mit gleichen Bezugsziffern versehen.
In Fig. 1 ist in schematischer Weise in der Quer-Schnittansicht eine Wandung 2, beispielsweise eine Brennkammer, dargestellt. Auf diese sind, beispielsweise mit Befestigungselementen 6, nebeneinander liegend mehrere Schindeln 1 montiert. Die Montageachsen sind jeweils mit dem Bezugszeichen 10 versehen.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, weisen die Schindeln an ihren benachbarten Rändern 5 einen Abstand zueinander auf. Zwischen der Wandung 2 und der Schindel 1 ist ein Zwischenraum 4 ausgebildet, durch welchen Kühlluft geleitet wird. Die Pfeile zeigen in schematischer Weise die Kühlluftströmungen. Hierbei wird deutlich, das die Dichtung erfindungsgemäß die Effusions- oder Transpirationskühlung im Bereich des Schindelrandes in keiner Weise behindert. Hinsichtlich der Ausgestaltung der Kühlluftkanäle, möglicher Durchtrittsöffnungen o. ä. ist auf den Stand der Technik zu verweisen, so dass auf detaillierte Darstellungen an dieser Stelle verzichtet werden kann.
Wie sich aus Fig. 1 ergibt, ist der Querschnitt des Zwischenraums 4 so groß, dass die Ränder 5 der Schindeln 1 nicht gegen die Wandung 2 anliegen. Vielmehr ist unterhalb der Ränder 5 ein streifenförmiges oder plattenförmiges Dichtungselement 3 angeordnet, zu dessen Führung seitliche Führungen 7 vorgesehen sind.
Aus der Darstellung ergibt sich, dass auch bei einer Temperaturausdehnung oder Verschiebung der Schindeln stets eine ausreichende Abdichtung sichergestellt ist, da die Dichtung durch die Druckdifferenz über der Schindel immer an die Ränder der Schindel angepresst wird. Insbesondere wird auch der Randbereich (Ränder 5) der Schindeln 1 ausreichend mit Kühlluft beaufschlagt.
Die Fig. 2 zeigt in vereinfachter Darstellung in der perspektivischen Ansicht die flexiblen, unterbrochenen Führungen 7. Durch die Segmentierung der seitlichen Führung ergibt sich eine Flexibilität der Dichtung, die derjenigen von Streifendichtungen kaum nachsteht. Bei Verformung der Schindel durch Temperaturgradienten ist immer noch eine gute Abdichtung gewährleistet.
In den Fig. 3 und 4 ist in unterschiedlichen Ausgestaltungsformen die Befestigung mittels der Befestigungselemente dargestellt. An der Schindel 1 ist ein Gewindebolzen vorgesehen, welcher eine Ausnehmung 8 der Wandung 2 durchgreift. Die Ausnehmung 8 hat einen größeren Durchmesser als der Außendurchmesser des Befestigungselementes 6. Eine Fixierung erfolgt mittels eines Außengewindes des Bolzens 6, auf welchen eine Mutter 13 aufgeschraubt ist. Zusätzlich ist eine Unterlegscheibe 12 vorgesehen.
Wie bei den Ausführungsbeispielen gezeigt, sind sowohl zwischen die Wandung 2 und die Schindeln 1 als auch zwischen die Wandung 2 und die Unterlegscheibe 12 jeweils ringförmige, elastische Elemente eingelegt. Diese können, wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 gezeigt, einen C-förmigen Querschnitt haben. Hierdurch ergibt sich eine ausreichende Elastizität. Gleichzeitig führen die elastischen Elemente zu einer Abdichtung, die insbesondere aus gasdicht sein kann, um ein Entweichen von Kühlluft zu verhindern. Durch entsprechende Dimensionierung ergibt sich eine winkelmäßige und seitliche Bewegbarkeit des Befestigungselements 6 bzw. der Schindel 1 relativ zur Wandung 2.
Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die elastischen Elemente in Form von Tellerfedern ausgebildet. Diese weisen den zusätzlichen Vorteil einer Schwingungsdämpfung durch die Reibung zwischen den einzelnen Federtellern auf.
Es versteht sich, dass auch andere Ausgestaltungsformen von elastischen Elementen einsetzbar sind. Es ist auch eine Kombination der gezeigten Formen möglich.
Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ergeben sich im Rahmen der Erfindung vielfältige Abwandlungs- und Modifikationsmöglichkeiten. Bezugszeichenliste 1 Schindel
2 Wandung
3 Dichtungselement
4 Zwischenraum
5 Rand
6 Befestigungselement
7 Führung
8 Ausnehmung
9 elastisches Element
10 Achse
12 Unterlegscheibe
13 Mutter

Claims

1. Hitzeschildanordnung mit mehreren Schindeln (1), welche jeweils an einer Wandung (2) gelagert sind, sowie mit zumindest einem zwischen benachbarten Schindeln (1) angeordneten Dichtungselement (3), wobei die Schindeln (1) zur Wandung (2) zur Bildung eines mit Kühlluft beaufschlagbaren Zwischenraums (4) beabstandet sind, dadurch gekennzeichnet, dass abzudichtende Ränder (5) der Schindel (1) mittels Befestigungsmitteln (6) von der Wandung (2) beabstandet gehalten sind und dass das Dichtungselement (3) von der Wandung (2) beabstandet in die Ränder (5) der Schindeln (1) anliegend montiert ist, wobei die Dichtung über diese Ränder gleiten kann.

2. Hitzeschildanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass seitliche Führungen (7) zur Halterung des Dichtungselements (3) vorgesehen sind.

3. Hitzeschildanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die seitlichen Führungen (7) sich nur über einen Teil der Länge des Dichtungselements (3) erstrecken.

4. Hitzeschildanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schindeln (1) zueinander beabstandet montiert sind.

5. Hitzeschildanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (6) als Bolzen ausgebildet ist, welcher eine Ausnehmung (8) der Wandung (2) durchgreift, wobei zumindest an einer Seite der Wandung (2) zumindest ein elastisches Element (9) zwischengelegt ist, wodurch eine Winkelbeweglichkeit der Schindel zur Wandung erreicht wird.

6. Hitzeschildanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass beidseitig der Wandung (2) zumindest ein elastisches Element (9) angeordnet ist.

7. Hitzeschildanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (9) in Form einer Feder ausgebildet ist.

8. Hitzeschildanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (9) als Dichtungselement ausgebildet ist.

9. Hitzeschildanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element 9 als Schwingungsdämpfungselement ausgebildet ist.

10. Hitzeschildanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Ausnehmung (8) größer ist als der Durchmesser des Bolzens (6), wodurch eine Verschieblichkeit in axialer und Umfangsrichtung ermöglicht wird.