DE102005046731A1

DE102005046731A1 - Hitzeschildanordnung

Info

Publication number: DE102005046731A1
Application number: DE102005046731A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dahlke; Marcus Fischer; Uwe Gruschka; Andreas Heilos; Jens Kleinfeld; Roland Dr. Liebe; Michael Wagner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-04-19
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2006-11-02
Also published as: WO2006111508A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hitzeschildanordnung (30), bestehend aus einer Tragstruktur (31) und einem daran befestigten Hitzeschild (32) mit einer auf der Tragstruktur (31) anliegenden, umlaufenden Seitenwand (34) und einem der Tragstruktur (31) zugewandten Innenraum (38). Das Hitzeschild (32) weist mindestens ein in den Innenraum (38) hineinragendes Anpresselement (41) auf, wobei ein Dichtelement (42) zwischen Tragstruktur (31) und Anpresselement (41) vorgesehen ist, so dass ein, bei einer Betriebstemperatur zwischen der Seitenwand (34) und der Tragstruktur (31) auftretender thermisch-induzierter Spalt (37) abgedichtet ist. Durch die Abdichtung des thermisch-induzierten Spalts (379 wird eine Überdosierung von Kühlmittel (39) und des damit verbundenen Wirkungsgradverlustes vermieden. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkammer (4) mit einer Brennkammerwand (24) und einer derartigen Hitzeschildanordnung (30) sowie eine Gasturbine (1) mit einer derartigen Brennkammer (4).

Description

Die Erfindung betrifft eine Hitzeschildanordnung bestehend aus einer Tragstruktur und einem daran befestigten Hitzeschild mit einer auf der Tragstruktur anliegenden, umlaufenden Seitenwand und einem der Tragstruktur zugewandten Innenraum. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkammer mit einer Brennkammerauskleidung, die eine Hitzeschildanordnung aufweist, sowie eine Gasturbine mit einer derartigen Brennkammer.
Aufgrund der in Heißgaskanälen oder anderen Heiflgasräumen herrschenden hohen Temperaturen ist es erforderlich, die Innenwandung eines Heißgaskanals bestmöglichst temperaturresistent zu gestalten. Hierzu bieten sich hochwarmfeste Werkstoffe, wie z. B. Keramiken an. Der Nachteil keramischer Werkstoffe liegt sowohl in ihrer starken Sprödigkeit als auch in ihrem ungünstigen Temperaturleitverhalten. Als Alternative zu keramischen Werkstoffen für Hitzeschilde bieten sich hochwarmfeste metallische Legierungen auf Eisen-, Chrom-, Nickel- oder Kobaltbasis an. Da die Einsatztemperatur von hochwarmfesten Metalllegierungen aber deutlich unter der Heißgastemperatur liegt, ist es erforderlich, metallische Hitzeschilde in Heißgaskanälen zu kühlen.

Die US 6 470 685 B2 offenbart eine Hitzeschildanordnung mit einem ersten Hitzeschild und einem dazu benachbarten, unter Belassung eines Spalts angeordneten zweiten Hitzeschild. Die einzelnen Hitzeschilde sind an einer Tragstruktur angebracht, so dass jeweils ein Innenraum begrenzt wird. An der Heißwandseite eines Hitzeschilds sind eine Vielzahl in den Innenraum hineinragende Stäbe angebracht, die eine bessere Kühlung des Hitzeschilds vom Innenraum her ermöglichen. Die Seitenwände der Hitzeschilde sind mit einem zusätzlichen Element verlängert, d.h. die Seitenwände liegen direkt an der Tragstruktur auf. Um ein Ausströmen der Luft aus dem Innenraum zu ermöglichen, sind Kühlöffnungen in den Seitenwänden eingebracht.

Die GB 2 298 266 A offenbart eine Hitzeschildanordnung mit sich in den Endbereichen überlappenden Hitzeschilden. Diese bildet somit eine vollständige Überdeckung der zu schützenden Wand vor Heißgas. Mindestens eine Seitenwand jedes Hitzeschilds liegt mit mindestens einem Kontaktpunkt direkt auf der Tragstruktur. Um ein Ausströmen der Luft zu ermöglichen, sind sowohl in der Heißseite der Hitzeschilde als auch in den Seitenwänden Kühlöffnungen eingebracht.

Die EP 1 507 116 A1 weist eine Hitzeschildanordnung auf, die mehrere unter Belassung eines Spalts nebeneinander an einer Tragstruktur angeordneten Hitzeschilde umfasst, wobei ein oder jedes Hitzeschild auf einer Tragstruktur angebracht ist, so dass ein Innenraum gebildet wird. Durch einen Einlasskanal strömt Kühlmittel in den Innenraum. Für eine wärmedehnungstolerante und, gegenüber auftretenden mechanischen Belastungen in einer Brennkammer resistente Befestigung der Hitzeschilde, liegen die Seitenwände nicht direkt auf der Tragstruktur auf, sondern sind über ein jeweiliges Dichtelement mit der Tragstruktur verbunden. Das Dichtelement schließt direkt an die Seitenwand an, d.h. es stellt eine direkte Verlängerung dieser Seitenwand dar. Die so verlängerte Seitenwand liegt an der Tragstruktur auf. Die Dichtelemente erfüllen dabei sowohl eine Dichtfunktion für das Kühlmittel als auch eine mechanische Dämpfungsfunktion für die Hitzeschildanordnung. Zum Austritt des Kühlmittels aus dem Innenraum ist ein Kühlmittelauslasskanal vorgesehen, der in den Spalt einmündet.

Zusammenfassend liegt den bekannten Hitzeschilden das Prinzip zugrunde, dass die Hitzeschildwände bei der Montage der Hitzeschilde direkt an der Tragstruktur aufliegen. Für die Kühlung der Hitzeschilde sind Kühlöffnungen vorhanden, die vom Hitzeschildinnenraum in die Brennkammer führen. Um den Spalt benachbarter Hitzeschildanordnungen gegen Heißgas abzudich ten, wird das Kühlmittel vollständig oder teilweise durch die Kühlöffnungen in diesen Spalt geleitet.

Grundlegend gemeinsam ist den beschriebenen Hitzeschildanordnungen, dass Verdichterluft als Kühlmedium für die Brennkammer und deren Auskleidung benutzt wird. Das Kühlmittel tritt in die Brennkammer ein, ohne an der Verbrennung teilgenommen zu haben. Es ist bekannt, dass sich der Kühlmittelverbrauch hinsichtlich des Wirkungsgrads negativ auswirkt und höhere Emissionswerte durch die erforderliche höhere Einstellung der Flammentemperatur erzeugt. Den Hitzeschildanordnungen liegt damit das Ziel zugrunde, den Kühlmittelverbrauch möglichst gering zu halten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine hinsichtlich der Kühleffizienz verbesserte Hitzeschildanordnung anzugeben, die sich durch eine Steigerung des Wirkungsgrades auszeichnet. Die Hitzeschildanordnung soll in einer Brennkammer für Gasturbinen einsetzbar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Hitzeschildanordnung, bestehend aus einer Tragstruktur und einem daran befestigtem Hitzeschild, mit einer auf der Tragstruktur anliegenden, umlaufenden Seitenwand und einem der Tragstruktur zugewandten Innenraum, wobei das Hitzeschild mindestens ein in den Innenraum hineinragendes Anpresselement aufweist, wobei ein Dichtelement zwischen Tragstruktur und Anpresselement vorgesehen ist, so dass ein, bei einer Betriebstemperatur zwischen der Seitenwand und der Tragstruktur auftretender thermisch-induzierter Spalt abgedichtet ist.

Die Erfindung geht von der Beobachtung aus, dass bei den für die Verbrennung erforderlichen hohen Temperaturen bei den oben diskutierten Hitzeschilden thermisch-induzierte Verwölbungen auftreten, dergestalt, dass die Ecken der Hitzeschilde an die Tragstruktur gepresst werden. Die Heißseitenmitte der Hitzeschilde wölbt sich auf. Die an der Tragstruktur aufliegenden einzelnen Seiten der Hitzeschilde, welche die Seiten wand bilden, wölben sich ebenfalls von der Tragstruktur weg und zwar dergestalt, dass die Seitenmitte von der Tragstruktur nun durch einen thermisch-induzierten Spalt beabstandet ist. Die im kalten Zustand dicht an der Tragstruktur aufliegenden Seiten der Hitzeschilde weisen nun einen Spalt auf. Dieser kann bei 200mm Kantenlänge typischerweise bis zu 1,2 mm betragen. Durch diesen thermisch-induzierten Spalt entsteht jedoch ein unkontrollierter, vermehrter Kühlmittelaustritt, was dazu führt, dass bei mehreren benachbart zueinander angeordneten Hitzeschilden der Spalt zwischen diesen Hitzeschilden gegen Eintritt von Heißgas in diese Spalte nicht ausreichend thermisch gesperrt wird. Dies führt daher zu einem deutlich vermehrten Kühlmittelverbrauch als für die Kühlaufgabe und die Sperraufgabe des Spalts eigentlich erforderlich wäre. Ein erhöhter Kühlmittelverbrauch führt aber zu einem niedrigeren Wirkungsgrad. Bislang wurde, wollte man diesen Wirkungsgradverlust kompensieren, üblicherweise die Flammentemperatur und damit die Heißgas-Temperatur erhöht wodurch nachteiligerweise erhöhte NOx-Emissionen in Kauf genommen werden.

Ausgehend von dieser Erkenntnis werden nunmehr erstmals mit der erfindungsgemäßen Hitzeschildanordnung unerwünschte Kühlmittelverluste und infolgedessen unerwünschte Wirkungsgradverluste vermieden. Durch die gezielte Abdichtung des thermisch-induzierten Spalts mittels eines Dichtelements, welches zwischen einer Tragstruktur und einem Anpresselement angebracht ist, wird ein unzulässiges und unerwünschtes Entweichen des Kühlmittels vermieden.

Das Dichtelement der Erfindung ist durch den Hitzeschild zusammengedrückt, und zwar dergestalt, dass das am Hitzeschild angebrachte Anpresselement das Dichtelement gegen die Tragstruktur presst. Bei einer thermischen Aufwölbung werden der dadurch entstehende thermische Spalt der einzelnen Seiten abgedichtet, indem sich das vorgespannte Dichtelement so entspannt, dass es eine Ausdehnung zwischen der Tragstruktur und der Heißseite des Hitzeschilds erfährt, so dass der Spalt stets abgedichtet ist.

Besonders vorteilhaft erweist sich diese Anordnung der Hitzeschilder in der Gasturbine, die einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine aufweist. Bei der Anwendung der Hitzeschildanordnung zur Auskleidung einer Brennkammer ist üblicherweise zum mechanischen Anpressdruck durch das Anpresselement eine Druckdifferenz zwischen Innenraum des Hitzeschilds und Brennkammer zu verzeichnen. Durch diesen Differenzdruck zwischen der Hitzeschild-Unterseite und der Brennkammer wird das Dichtelement gegen die Seitenwand und gegen das Anpresselement gedrückt, wodurch ein zusätzlicher Abdichteffekt entsteht. Dies ist beispielsweise im Fall eines Materialschadens bei dem sich das Dichtelement nicht wie vorgesehen entspannt, vorteilhaft, da auch in diesem Fall der Hitzeschild vor Kühlmittelverlust hinreichend abgedichtet wird.

Das Kühlmittel ist dabei im Wesentlichen gewöhnlich als Kühlluft geben, die ganz oder teilweise dem Verdichter entnommen wird, der der Brennkammer nachgeordnet ist.

Durch die Einsparung von Kühlmittel steht der Verbrennung mehr Verdichterluft zur Verfügung was sich hinsichtlich des Durchsatzvolumens positiv auswirkt. Eine Überdosierung des Kühlmittels führt daher zu einem geringeren Wirkungsgrad. Eine überhöhte Kühlmittelmenge führt weiterhin zu ungünstigen Temperaturen in der Brennkammer. Dies wird mit einer erhöhten Flammeneinstellung kompensiert was zu erhöhten NOx-Schadstoffemissionen führt. Durch die Erfindung wird die bisherige Überdosierung von Kühlmittel zum Kühlen der Hitzeschildanordnungen und Sperren des Spalts zwischen benachbarten Hitzeschildanordnungen nunmehr vermieden.

In bevorzugter Ausgestaltung ist das Anpresselement eine in der Seitenwand ausgebildete Ausnehmung mit einer Anpressfläche. Das Dichtelement wird in dieser Ausgestaltung zwischen der Anpressfläche und der Tragstruktur eingesetzt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt in der besonders einfachen Fertigungsweise des Hitzeschilds. Die Ausnehmung mit der Anpressfläche kann innenwandig in das Material gefräst, ander weitig abgetragen oder bei einem Gussbauteil bei der Herstellung eingegossen werden.

Bevorzugt ist die Ausnehmung umlaufend, d.h. dass die ganze Seitenwand umfasst wird. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt hier in der besonders einfachen Herstellung, z.B. wenn die Ausnehmung in den Hitzeschild gefräst wird. Weiterhin ist durch die vollumfängliche Dichtung auf einfache Art und Weise sichergestellt, dass alle sich bildenden thermisch-induzierten Spalte abgedichtet werden. Zudem verändert eine umlaufende Ausnehmung die Steifigkeit positiv. Der thermisch-induzierte Spalt ist dadurch in seiner Spalthöhe reduziert.

Alternativ dazu kann die Ausnehmung auch gezielt an einzelnen Abschnitten der Seitenwand, die besonders zu Leckagebildung neigen, angeordnet sein. Dies ist beispielsweise der Fall wenn das Fräsen oder andere Gestaltung der Ausnehmung in den einzelnen Eckbereichen des Hitzeschilds zu Problemen führt, oder falls die thermisch-induzierte Spalte gut lokalisierbar ist.

In bevorzugter Ausgestaltung ist die Anpressfläche mit einer Kante ausgestaltet, welche in den Innenraum hineinragt. Vorteilhafterweise ist die Kante parallel zur Tragstruktur und weist vom Anpresselement zur Tragstruktur. Die Kante dient somit vorteilhafterweise als Verliersicherung für das Dichtelement, d.h. sowohl bei hohen thermischen Belastungen und den damit verbundenen auftretenden Spaltmaßen als auch bei den in einer Brennkammer mechanischer Belastungen in Form von Relativbewegungen verbleibt das Dichtelement an der vorab bestimmten Position. Das Dichtelement ist durch die Kante verruschtsicher zwischen Tragstruktur und Anpresselement gehalten.

In weiteren Ausgestaltungen ist das Anpresselement als Halteelemente ausgebildet. Dies sind L- oder U-förmige Elemente oder andere stabähnliche, bevorzugt mit einer Kante versehene Elemente. Die Halteelemente sind in dieser Ausgestaltung be sonders einfach auch noch nachträglich an bereits gefertigten Hitzeschilden zu montieren. Günstig ist dies auch bei Materialien, die die Fertigung einer Ausnehmung nicht zulassen oder bei denen die Fertigung einer Ausnehmung nur schwer zu realisieren ist. Das Dichtelement ist in dieser Ausgestaltung zwischen Halteelement und Tragstruktur angebracht.

Vorteilhafterweise ist das Dichtelement durch eine Anpresskraft vorgespannt. Diese kann über ein Befestigungselement vermittelt werden, welche den Hitzeschild an der Tragstruktur befestigt. Die Anpresskraft ist dabei je nach Anforderung und Einsatzsituation variierbar. So ist auch bei größeren Spaltmaßen durch eine höhere Anpresskraft ein vollständiges Abdichten des thermisch-induzierten Spalts gewährleistet.

Das Befestigungselement, beispielsweise eine Schraubverbindung, welche den Hitzeschild an der Tragstruktur befestigt, ist dabei in bevorzugter Ausführung in der Mitte des Hitzeschilds, insbesondere als zentraler Befestigungsbolzen, angebracht. Die Hitzeschildanordnung ist somit besonders wartungs- und sevicefreundlich, da jedes Hitzeschild in der Brennkammer bedarfsweise einzeln entfernt und ausgetauscht werden kann.

Bevorzugt ist das Dichtelement dabei im Querschnitt als E-Dichtung, C-Dichtung oder mehrfach wellenförmig ausgebildet. Diese Ausgestaltung bewirkt eine effiziente Abdichtung, da einerseits die Ober- und Unterseite des Dichtelements gegen das Anpresselement und gegen die Tragstruktur gepresst sind. Andererseits bewirkt diese Formgebung inhärentfederelastische Eigenschaften, wodurch das Dichtelement mittels der Anpresskraft zusammengepresst ist und sich anschließend bei thermischer Belastung wieder entspannt und somit den thermisch-induzierten Spalt stets abdichtet.

In bevorzugter Ausgestaltung ist das Dichtelement aus metallischem Material, welches sich im Wesentlichen elastisch hinsichtlich der Vorspannung und der anschließenden Entspannung bei thermischer Verformung erweist, und hinreichend temperaturbeständig ist.

Vorzugsweise wird die Seitenwand des Hitzeschilds von mindestens einer Kühlöffnung durchdrungen. Durch diese tritt das Kühlmittel aus dem Innenraum kontrolliert aus. Der Kühlmittelstrom wird gezielt in den Spalt zwischen benachbarte Hitzeschilde geleitet. Dies bewirkt eine verbesserte Sperrung des Spalts gegenüber Heißgas. Der kontrollierte Austritt von Kühlmittel aus dem Innenraum ist in einfacher Weise durch entsprechende Dimensionierung der Kühlmittelöffnungen, hinsichtlich Öffnungsquerschnitt und Öffnungslänge bei beispielsweise schrägem Öffnungswinkel zu erreichen.

Bevorzugt sind die Kühlöffnungen gegenüberliegender Seiten benachbarter Hitzeschilde versetzt zueinander. Somit wird eine verbesserte Kühlung durch Prallkühlung benachbarter Seiten der Hitzeschilde erreicht, was sich – da die Prallkühlung eine besonders wirkungsvolle Kühlmethode ist – vorteilhaft auf die Lebensdauer der Hitzeschilde auswirkt.

In bevorzugter Ausgestaltung weist die Tragstruktur Zufuhrkanäle auf, die das Kühlmittel in den Innenraum führen. Diese sind vorteilhafterweise so ausgestaltet, dass eine Prallkühlung der Hitzeschilder innenwanding erfolgt, wodurch eine weitere Verbesserung der Hitzeschildkühlung erzielt wird.

Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand einer Zeichnung näher erläutert.

Darin zeigt in vereinfachter und nicht maßstäblicher Darstellung:
1 einen Halbschnitt durch eine Gasturbine,
2 Seitenansicht einer Hitzeschildanordnung,
3 Querschnitt einer Hitzeschildanordnung gemäß der Erfindung
4 Draufsicht eines Hitzeschilds mit umlaufenden Anpresselement
5 Draufsicht eines Hitzeschilds mit bereichsweise in den Seiten angebrachtes Anpresselement
6 Querschnitt eines Hitzeschilds mit Halteelements in L-förmiger Ausgestaltung
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Gasturbine 1 gemäß 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 oder einer Arbeitsmaschine 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 bzw. die Arbeitsmaschine verbunden ist, und die um ihre Mittelachse drehbar gelagert ist. Die in der Art einer Ringbrennkammer ausgeführte Brennkammer 4 ist mit einer Anzahl von Brennern 10 zur Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs bestückt. Die Turbine 6 weist eine Anzahl von mit der Turbinenwelle 8 verbundenen, rotierbaren Laufschaufeln 12 auf. Die Laufschaufeln 12 sind kranzförmig an der Turbinenwelle 8 angeordnet und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen. Weiterhin umfasst die Turbine 6 eine Anzahl von feststehenden Leitschaufeln 14, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von Leitschaufelreihen an einem Innengehäuse 16 der Turbine befestigt sind. Die Laufschaufeln 12 dienen zum Antrieb der Turbinenwelle 8 durch Impulsübertrag vom die Turbine 6 durchströmenden heißen Medium, dem Arbeitsmedium M. Die Leitschaufeln 14 dienen hingegen zur Strömungsführung des Arbeitsmediums M zwischen jeweils zwei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M, z. B. dem Heißgas, gesehenen aufeinander folgenden Laufschaufelreihen oder Laufschaufelkränzen. Ein aufeinander folgendes Paar aus einem Kranz von Leitschaufeln 14 oder einer Leitschaufelreihe und aus einem Kranz Laufschaufeln 12 oder einer Laufschaufelreihe wird auch als Turbinenstufe bezeichnet.
Die Brennkammer 4 ist von einem Brennkammergehäuse 26 begrenzt, wobei brennkammerseitig eine Brennkammerwand 24 gebildet ist. Im 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. Dazu ist die Brennkammer 4 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Turbinenwelle 8 herum positioniert ist.
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 4 für vergleichsweise hohe Heißgastemperaturen des Arbeitsmediums M von etwa 1200 °C bis 1500 °C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsbedingungen eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermöglichen, ist die Brennkammerwand 24 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschilden 32 gebildeten Brennkammerauskleidung versehen. Die Hitzeschilde 32 sind über geeignete – in der 1 nicht näher dargestellte Befestigungsmittel – an der Brennkammerwand 24 befestigt.
In 2 ist ein Beispiel einer Hitzeschildanordnung 30 bei thermischer Verformung nach dem Stand der Technik dargestellt. Die Hitzeschildanordnung 30 weist eine Tragstruktur 31 und ein Hitzeschild 32 mit einer Heißseite 33 auf. Eine Seitenwand 34, welche sich aus vier Seiten 35A-35D zusammensetzt, ist gegenüber der Heißseite 33 geneigt. Die Hitzeschildanordnung 30 bildet einen Innenraum 38 (3) aus, der von seitens der Tragstruktur 31 durch die Zufuhrkanäle 45 mit Kühlmittel 39 vorzugsweise Kühlluft, die dem Verdichter 2 entnommen wird, versorgt wird. Bei hohen thermischen Belas tungen, wie sie insbesondere in Brennkammern 4 für Gasturbinen 1 entstehen, tritt an der Heißseite 33 und an den jeweiligen Seiten 35A-35D eine thermisch induzierte Wölbung 36 auf. Bei dem Hitzeschild 32 tritt infolgedessen zwischen der Tragstruktur 31 und den einzelnen Seiten 35A-35D ein thermisch-induzierter Spalt 37 auf. Durch diesen entweicht Kühlmittel 39 ungehindert in die Brennkammer 4.
Dem tritt die Erfindung mit einer Hitzeschildanordnung 30 mit einem völlig neuartigen Dichtungskonzept entgegen. In 3 wird dies beispielhaft anhand einer Querschnittsdarstellung zweier benachbarter Hitzeschilde 32a und 32b aufgezeigt, die auf der Tragstruktur 31 angebracht sind. Die Grundgeometrie der Hitzeschilde 32 ist in diesem Ausführungsbeispiel nachfolgend als viereckig, näherungsweise rechteckig gezeigt, obwohl für die Erfindung keinerlei Einschränkung hinsichtlich der Grundgeometrie des Hitzeschilds 32 gegeben ist. Die Hitzeschilde 32a, 32b sind unter Belassung eines Spalts 40 benachbart angeordnet. Ein Anpresselement 41 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Ausnehmung 41A mit einer Anpressfläche 41B ausgeführt, die an der Seitenwand 34 innenwandig angebracht ist.
Für einen Austritt des Kühlmittels 39 aus dem Innenraum 38 sind an der Seitenwand 34 der Hitzeschilde 32a, 32b den Anforderungen entsprechend dimensionierte Kühlöffnungen 44 vorgesehen, die vom Innenraum 38 in den Spalt 40 münden. Bei einer Zufuhr von Kühlluft 39 über die Zufuhrkanäle 45 in den Innenraum 38 kann die Kühlluft 39 gezielt über die Kühlöffnungen 44a, 44b in den Spalt 40 eingeleitet werden und dadurch den Spalt 40 bzw die Tragstruktur 31 gegenüber einer Beaufschlagung mit heißem Medium M sperren. Die Kühlöffnungen 44a, 44b der Hitzeschilde 32a, 32b sind versetzt angeordnet, was zusätzlich eine Prallkühlung des benachbarten Hitzeschilds 32 bewirkt.
Zur Vermeidung eines unkontrollierten, vermehrten Kühlmittelaustritts 39 durch den thermisch-induzierten Spalt 37 ist ein Dichtelement 42 zwischen der Anpressfläche 41B und der Tragstruktur 31 vorgesehen, wobei das Dichtelement 42 in diesem Ausführungsbeispiel mehrfach wellenförmig ausgebildet ist. Eine nicht näher gezeigte andere Form des Dichtelements 42 ist z.B. ein C- oder E-förmiges Dichtelement. Der Hitzeschild 32 wird über ein Befestigungselement 43 (4), beispielsweise eine Schraubverbindung oder ein Befestigungsbolzen an der Tragstruktur 31 befestigt. Durch diese Befestigung wird das Dichtelement 42 zwischen der Anpressfläche 41B der Ausnehmung 41A und der Tragstruktur 31 eingeklemmt und so zusammengedrückt. Die Befestigung übt eine Anpresskraft F, senkrecht zur Tragstruktur 31, auf das Dichtelement 42 aus. Die C-, E- oder wellenartige Form des Dichtelements 42 ermöglicht einen federelastischen, senkrecht zur Tragstruktur 31 wirkenden Spannungsaufbau im Dichtelement 42, dadurch, dass das Dichtelement 42 in Richtung zur Tragstruktur 31 hin zusammengepresst wird. Ein Spannungsabbau, in dem sich das Dichtelement 42 z.B. unzulässig zum Innenraum 38 hin verformt kann zum einen aufgrund der Form des Dichtelements 42 nicht auftreten. Zum anderen bewirkt der im Vergleich zur Brennkammer 4 höhere Druck im Innenraum 38, dass das Dichtelement 42 gegen die Seitenwand 34 gepresst wird. Durch die thermische Verwölbung 36 wird das Dichtelement 42 in eine Richtung senkrecht zur Tragstruktur 31 entspannt. Dies bewirkt die Abdichtung der entstehenden thermisch induzierten Spalte 37. Der im Vergleich zur Brennkammer 4 höhere Druck im Innenraum 38 hat zudem den Vorteil, dass bei einem Materialschaden des Dichtelements 42, dergestalt, dass keine hinreichende Entspannung und damit Spaltabdichtung mehr erfolgt, das Dichtelement trotzdem sowohl gegen die Seitenwand 34 als auch gegen die Anpressfläche 41B und Tragstruktur 31 gepresst wird, so dass auch in diesem Fall eine hinreichende Spaltabdichtung noch gewährleistet ist.
In 4 ist der Hitzeschild 32 mittig mit einem einzelnen Befestigungselement 43 an der Tragstruktur 31 befestigt, was sich vorteilhaft auf die Wartungs- und Servicearbeiten auswirkt. Der Hitzeschild 32 ist bei einer derartigen Befesti gung einfach montierbar bzw. demontierbar, da das Befestigungselement 43 brennkammerinnenseitig beispielsweise durch einen Schraubverschluss 50 zugänglich ist. Dadurch wird das in diesem Ausführungsbeispiel vollumfänglich umlaufende Dichtelement 42 zwischen der Tragstruktur 31 und dem Anpresselement 41, welches hier als umlaufende Ausnehmung 41A illustriert ist, vorgespannt. Bei einer vollumfänglich umlaufenden Ausnehmung ist vorteilhafterweise auf einfache Art und Weise sichergestellt, dass die entstehende thermisch induzierte Spalte 37 abgedichtet wird. Durch die Befestigung mittels eines zentralen Befestigungselements 43 wird zudem im Wesentlichen sichergestellt, dass die Anpresskraft F gleichmäßig auf das Dichtelement 42 ausgeübt wird.
In 5 ist das Anpresselement 41 als bereichsweise in den Seiten 35A-35D angebrachte Ausnehmung 41A mit der Anpressfläche 41B ausgestaltet. Der Vorteil einer bereichsweise angebrachten Ausnehmung liegt in der einfacheren Fertigung, da die Ecken des Hitzeschilds 32 nicht bearbeitet werden müssen. Dies ist beispielsweise auch dann der Fall wenn die thermisch-induzierte Spalte 37 gut lokalisierbar ist.
In einer alternativen Ausgestaltung ist das Anpresselement in 6 gegenüber den vorher diskutierten Beispielen nicht als Ausnehmung in der Seitenwand realisiert, sondern vorliegend als L-förmiges Halteelement 41D dargestellt. Das Halteelement 41D ist an der Seitenwand 34 befestigt. Das dazugehörige Dichtelement 42 wird in 5 und 6 so gestaltet, dass der thermisch induziert Spalt 37 abgedichtet ist.
Eine wesentliche Erkenntnis der Erfindung ist die Entstehung thermisch induzierter Spalte bei hohen Temperaturen bei gekühlten Hitzeschildanordnungen, sowie des daraus resultierenden Kühlmittelverlustes und dem damit verbundenen Wirkungsgradverlust bei Verwendung der Hitzeschildanordnungen in einer Gasturbine. Die Abdichtung dieser Spalte mit einem Dichtelement welches zwischen Tragstruktur und einem Anpresselement eingebracht ist, wirkt dem resultierenden Kühlmittelver lust und dem Wirkungsgradverlust entgegen. Der Beitrag der Erfindung für Hitzeschildanordnungen, insbesondere in einer Brennkammer für Gasturbinen, weist somit einen hohen Vorteil gegenüber üblichen Hitzeschildanordnungen auf und stellt eine wesentliche Verbesserung für die Hitzeschildanordnungen im Hinblick auf die Vermeidung von Kühlmittelverlusten dar.

Claims

Hitzeschildanordnung (30), bestehend aus einer Tragstruktur (31) und einem daran befestigten Hitzeschild (32) mit einer auf der Tragstruktur (31) anliegenden, umlaufenden Seitenwand (34) und einem der Tragstruktur (31) zugewandten Innenraum (38) dadurch gekennzeichnet, dass das Hitzeschild (32) mindestens ein in den Innenraum (38) hineinragendes Anpresselement (41) aufweist, wobei ein Dichtelement (42) zwischen Tragstruktur (31) und Anpresselement (41) vorgesehen ist, so dass ein, bei einer Betriebstemperatur zwischen der Seitenwand (34) und der Tragstruktur (31) auftretender thermisch-induzierter Spalt (37) abgedichtet ist.
Hitzeschildanordnung (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpresselement (41) als in der Seitenwand (34) angeordnete Ausnehmung (41A) mit einer Anpressfläche (41B) ausgebildet ist.
Hitzeschildanordnung (30) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (41A) umlaufend ist.
Hitzeschildanordnung (30) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (41A) bereichsweise angeordnet ist.
Hitzeschildanordnung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpressfläche (41B) eine in den Innenraum hineinragende Kante aufweist.
Hitzeschildanordnung (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpresselement (41) als mindestens ein in der Seitenwand (34) angeordnetes Halteelement (41D) ausgebildet ist.
Hitzeschildanordnung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (42) durch eine Anpresskraft (F) vorgespannt ist.
Hitzeschildanordnung (30) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpresskraft (F) über ein Befestigungselement (43) vermittelt wird, mit welchem das Hitzeschild (32) an der Tragstruktur (31) befestigt ist.
Hitzeschildanordnung (30) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (43) am Hitzeschild (32) mittig, insbesondere als zentraler Befestigungsbolzen, angebracht ist.
Hitzeschildanordnung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (42) im Querschnitt C-förmig, E-förmig oder mehrfach wellenförmig ausgebildet besteht.
Hitzeschildanordnung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (42) aus einem metallischem Material ist.
Hitzeschildanordnung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwand (34) von mindestens einer Kühlöffnung (44) durchdrungen ist, so dass Kühlmittel (39) aus dem Innenraum (38) abführbar ist.
Hitzeschildanordnung (30) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei benachbarten Hitzeschilden (32a, 32b) Kühlöffnungen (44) der sich gegenüberliegenden Seiten (35) gegeneinander versetzt sind.
Hitzeschildanordnung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (31) Zufuhrkanäle (45) aufweist, so dass Kühlmittel (39) in den Innenraum (38) zuführbar ist.
Brennkammer (4) mit einer Brennkammerwand (24), die eine Hitzeschildanordnung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist
Gasturbine (1) mit einer Brennkammer (4) nach Anspruch 15.