DE19508111A1 - Hitzeschild-Anordnung für eine Gasturbinen-Brennkammer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hitzeschild-Anordnung für eine Gasturbinen-Brennkammer mit einem Hitzeschild mit einer zentralen Durchtrittsöffnung für einen Brenner so­ wie mit einem am Rand der Durchtrittsöffnung umlaufenden Steg, der eine Vielzahl von Luftübertrittsöffnungen für die an die der Brennkammer abgewandte kalte Rückseite des Hitzeschildes herangeführte Kühlluft aufweist.

Zum Stand der Technik wird beispielshalber auf die EP 0 471 437 A1 verwiesen, dabei ist analog diesem bekannten Stand der Technik auch das vorliegende Hitzeschild bevorzugt für eine Ringbrennkammer vorgesehen.

Die heiße Oberfläche muß intensiv gekühlt werden, wozu die üblichen Hitzeschilder eine Vielzahl von Kühlluft- Durchtrittsöffnungen aufweisen, über die der an die kalte Rückseite des Hitzeschildes herangeführte Kühlluftstrom durch das Hitzeschild hindurchtreten kann und sodann auf die heiße Oberfläche des Hitzeschildes einen Kühlluftfilm legt. Damit ist es jedoch nicht möglich, den einer beson­ ders hohen Temperaturbelastung ausgesetzten Ringbereich rund um die Brenner-Durchtrittsöffnung ausreichend zu kühlen. Auch der im Bereich der Durchtrittsöffnung über den Spalt zwischen einem den Brenner aufnehmenden Dich­ tungsteil sowie dem Hitzeschild austretende Kühlluft­ stromanteil reicht hierfür nicht aus.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, Maßnahmen aufzuzei­ gen, mit Hilfe derer die Kühlung des Hitzeschildes insbe­ sondere im Bereich der Brenner-Durchtrittsöffnung weiter verbessert werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch eine innerhalb der Durchtrittsöffnung vorgesehene, im wesentlichen parallel zum Steg ausgerichtete Leitrippe, deren brennkammerseitiges Ende abgewinkelt ist, um den über die Luftübertrittsöffnungen in den Spalt zwischen Steg und Leitrippe einströmenden Kühlluftstrom in Rich­ tung der heißen Oberfläche des Hitzeschildes umzulenken. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.

Näher erläutert wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele. Die Figurendarstellungen 1 bis 4 zeigen Prinzip-Halbschnitte durch jeweils eine erfindungsgemäße Hitzeschild-Anordnung, Fig. 5a zeigt eine weitere Variante und Fig. 5b den Teilschnitt A aus Fig. 5a.

Die kalte Rückseite des Hitzeschildes 1 ist mit der Be­ zugsziffer 2a versehen, während die der Brennkammer zuge­ wandte heiße Oberfläche des Hitzeschildes die Bezugszif­ fer 2b trägt. Dieses Hitzeschild umgibt wie üblich einen nicht gezeigten Brenner, über den ein Brennstoff-Luft- Strom in die Brennkammer der Gasturbine eingeführt wird. Hierzu weist das Hitzeschild eine Durchtrittsöffnung 3 für den Brenner auf. Ebenfalls wie üblich ist dabei der Brenner von einem Dichtungsteil 4 umgeben. Ferner erkennt man in Fig. 1 einen hinter der Durchtrittsöffnung 3 vom Hitzeschild 1 wegragenden Bolzen 5, der der Befestigung des Hitzschildes 1 am Brennkammerkopf der Gasturbine dient.

Die heiße Oberfläche 2b des Hitzeschildes muß intensiv gekühlt werden. Hierzu wird an die kalte Rückseite 2a des Hitzeschildes 1 ein Kühlluftstrom herangeführt, der (wie Fig. 1 zeigt) zumindest teilweise über eine Vielzahl von Bohrungen 6 im Hitzeschild 1 dieses durchdringen kann und - da diese Bohrungen 6 gegenüber der Oberfläche 2b ge­ neigt verlaufen - sich als Kühlluftfilm auf die heiße Oberfläche 2b des Hitzeschildes 1 legt. Ebenfalls mehrere Luftübertrittsöffnungen 7 sind in einem Steg 8 vorgese­ hen, der am Rand der Durchtrittsöffnung 3 insbesondere im Bereich der Rückseite 2a vorgesehen ist. Über diese Luft­ übertrittsöffnungen 7 kann somit Kühlluft von der Rück­ seite 2a in den Bereich der Durchtrittsöffnung 3 gelan­ gen. Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1, 4 ist der Steg 8 Bestandteil des Hitzeschildes 1, bei den ande­ ren Ausführungsbeispielen ist der Steg 8 Bestandteil ei­ nes separaten Ringelementes 11.

Um mit Hilfe dieser über die Luftübertrittsöffnungen 7 den Steg 8 durchdringenden Kühlluft insbesondere den Randbereich des Hitzeschildes 1 in der Umgebung der Durchtrittsöffnung 3 intensiv zu kühlen, ist eine im we­ sentlichen parallel zum Steg 8 ausgerichtete Leitrippe 9 vorgesehen, deren brennkammerseitiges Ende 9a derart ab­ gewinkelt ist, daß der Kühlluftstrom wie durch den Pfeil 10 dargestellt in Richtung der heißen Oberfläche 2b des Hitzeschildes 1 umgelenkt wird. Dabei befindet sich zwi­ schen dem Steg 8 sowie der Leitrippe 9 ein Ring-Spalt 12, durch den der die Luftübertrittsöffnungen 7 durchdrin­ gende Kühlluftstrom geführt wird und schließlich dem ab­ gewinkelten freien Ende 9a der Leitrippe 9 folgend in Richtung der heißen Oberfläche 2b des Hitzeschildes 1 ab­ gelenkt wird. Bevorzugt ist das freie Ende 9a der Leitrippe 9 im wesentlichen parallel zur abgeschrägten Kante 1a des Hitzeschildes 1 im Eckbereich von Durch­ trittsöffnung 3 und heißer Oberfläche 2b ausgerichtet (vgl. Fig. 1).

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist die Leitrippe 9 an ein sog. Ringelement 11 angeformt, das zwischen einem Bund 4′ des Dichtungsteiles 4 sowie dem an das Hitzeschild 1 angeformten Steg 8 angeordnet ist. Dieses Ringelement 11 kann somit einerseits einfach gefertigt und andererseits einfach auf das ebenfalls einfach zu fertigende Hitzeschild 1 aufgesteckt werden.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist ebenfalls zwi­ schen dem Bund 4′ sowie dem Hitzeschild 1 ein Ringelement 11 vorgesehen, das in diesem Falle den Steg 8 bildet und die Luftübertrittsöffnungen 7 aufweist. An diesem Ring­ element 11 stützt sich weiterhin die ein separates eben­ falls ringförmiges Bauteil darstellende Leitrippe 9 ab. Dabei sind die Luftübertrittsöffnungen 7 im Ringelement 11 mit Verwirbelungseinrichtungen versehen, so daß dem über die Luftübertrittsöffnungen 7 hindurchtretenden Kühlluftstrom ein gewünschter Wirbel aufgeprägt werden kann. Eine ähnliche Ausführungsform mit Luftübertritts­ öffnungen 7 ohne Verwirbelungsmaßnahmen zeigt Fig. 3.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist nicht nur der Steg 8, sondern auch die Leitrippe 9 selbst Bestandteil des Hitzeschildes 1. Die Leitrippe 9 ist somit an das Hitzeschild 1 angeformt. Insbesondere stellt das Hitzeschild 1 mit der angeformten Leitrippe 9 hierzu ein Gußteil dar. Bei diesem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist ebenso wie bei den bereits erläuterten Ausführungs­ beispielen nach den Fig. 2, 3 das freie Ende 9a der Leitrippe 9 so weit in die Brennkammer der Gasturbine hineingezogen, daß dieses freie Ende 9a selbst parallel zur heißen Oberfläche 2b des Hitzeschildes 1 ausgerichtet ist. Auf diese Weise wird die in den Ring-Spalt 12 ein­ dringende Kühlluftströmung besonders sicher und zuverläs­ sig auf die Hitzeschild-Oberfläche 2b geführt. Im übrigen sind bei diesem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 die Luft­ übertrittsbohrungen 7 abermals mit Verwirbelungseinrich­ tungen versehen, was durch das Kreuz-Gitter dargestellt ist.

Die Fig. 5a, 5b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Leitrippe 9 ähnlich dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 an das Ringelement 11 angeformt ist. Bei die­ sem Ausführungsbeispiel befinden sich die Luftübertritts­ öffnungen 7 jedoch im Ringelement 11, so daß weitere Maß­ nahmen erforderlich sind, um einen Luftzutritt zu diesen Luftübertrittsöffnungen 7 zu ermöglichen. Daher ist zwi­ schen dem Ringelement 11 sowie dem Bund 4′ des Dichtungs­ teiles 4 ein zahnradartig geschlitzter Ring 13 angeord­ net, dessen Zahnschlitze 13′ diesen Luftzutritt zu den Luftübertrittsöffnungen 7 ermöglichen. Nicht nur bei die­ sem, sondern auch bei den vorangegangenen Ausführungsbei­ spielen ist im übrigen ein mit Luftdurchtrittsöffnungen 14′ versehenes Abstandsstück 14 dargestellt, über das sich das Dichtungsteil 4 mit seinem Bund 4′ an der Kopf­ wand 15 der Brennkammer abstützt. Über die Luftdurch­ trittsöffnungen 14′ gelangt dabei der herangeführte Kühl­ luftstrom zu der von der Brennkammer abgewandten Seite des Steges 8, d. h. der Kühlluftstrom muß zunächst die Luftdurchtrittsöffnungen 14′ durchdringen, um an­ schließend über die Luftübertrittsöffnungen 7 in den Ring-Spalt 12 zwischen dem Steg 8 und der Leitrippe 9 einströmen zu können, um letztlich von dieser Leitrippe 9 in Richtung der heißen Oberfläche 2b des Hitzeschildes 1 umgelenkt zu werden.

Claims (6)

1. Hitzeschild-Anordnung für eine Gasturbinen-Brennkam­ mer mit einem Hitzeschild (1) mit einer zentralen Durchtrittsöffnung (3) für einen Brenner, sowie mit einem am Rand der Durchtrittsöffnung (3) umlaufenden Steg (8), der eine Vielzahl von Luftübertrittsöff­ nungen (7) für die an die der Brennkammer abgewandte kalte Rückseite (2b) des Hitzeschildes (1) herange­ führte Kühlluft aufweist, gekennzeichnet durch eine innerhalb der Durchtritts­ öffnung (3) vorgesehene, im wesentlichen parallel zum Steg (8) ausgerichtete Leitrippe (9), deren brennkammerseitiges Ende (9a) abgewinkelt ist, um den über die Luftübertrittsöffnungen (7) in den Spalt (12) zwischen Steg (8) und Leitrippe (9) ein­ strömenden Kühlluftstrom in Richtung der heißen Oberfläche (2b) des Hitzeschildes (1) umzulenken.

2. Hitzeschild-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitrippe (9) an ein Ringelement (11), das zwischen dem Bund (4′) eines den Brenner umgebenden Dichtungsteiles (4) sowie dem Hitzeschild (1) angeordnet ist, angeformt ist oder sich an dem Ringelement (11) abstützt.

3. Hitzeschild-Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ringelement (11) und dem Bund (4′) des Dichtungsteiles (4) ein zahnradartig geschlitzter Ring (13) angeordnet ist, wobei die Zahnschlitze (13′) einen Luftzutritt zu den Luftübertrittsöffnungen (7) ermöglichen.

4. Hitzeschild-Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftübertrittsöff­ nungen (7) mit Verwirbelungseinrichtungen versehen sind.

5. Hitzeschild-Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitrippe (9) an das Hitzeschild (1) angeformt ist.

6. Hitzeschild-Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Hitzeschild (1) mit der Leitrippe (9) ein Gußteil ist.