WO2004068035A2 - Hitzeschildelement, brennkammer sowie gasturbine - Google Patents

Hitzeschildelement, brennkammer sowie gasturbine Download PDF

Info

Publication number
WO2004068035A2
WO2004068035A2 PCT/EP2003/014008 EP0314008W WO2004068035A2 WO 2004068035 A2 WO2004068035 A2 WO 2004068035A2 EP 0314008 W EP0314008 W EP 0314008W WO 2004068035 A2 WO2004068035 A2 WO 2004068035A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat shield
combustion chamber
shield element
wall section
hot side
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2003/014008
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2004068035A3 (de
Inventor
Michael Huth
Peter Tiemann
John Carl Glessner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to AU2003296634A priority Critical patent/AU2003296634A1/en
Priority to DE50310791T priority patent/DE50310791D1/de
Priority to EP03815543A priority patent/EP1588102B1/de
Publication of WO2004068035A2 publication Critical patent/WO2004068035A2/de
Publication of WO2004068035A3 publication Critical patent/WO2004068035A3/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/007—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel constructed mainly of ceramic components
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M20/00—Details of combustion chambers, not otherwise provided for, e.g. means for storing heat from flames
    • F23M20/005—Noise absorbing means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the invention relates to a heat shield element, in particular for protecting components in a thermally highly stressed machine, such as of components of a gas turbine.
  • the invention further relates to a combustion chamber with a heat-resistant combustion chamber lining and a gas turbine with a combustion chamber.
  • a hot medium e.g. by a hot gas from a combustion process in a combustion chamber
  • the surfaces delimiting the hot medium and the associated components are subjected to very high thermal and thermomechanical loads.
  • the components exposed to the hot medium thus fulfill two functions: the inclusion of the hot medium and the protection of other, possibly less heat-resistant components or components from overheating or thermal destruction.
  • requirements regarding the coolability of such components often have to be taken into account.
  • Combustion chambers are components of gas turbines that are used in many areas to drive generators or work machines.
  • the energy content of a fuel is used to generate a rotational movement of a door.
  • propeller shaft used.
  • the fuel is burned by burners in the combustion chambers connected downstream of them, compressed air being supplied by an air compressor.
  • the combustion of the fuel creates a working medium under high pressure at a high temperature. This working medium is fed into a turbine unit downstream of the combustion chambers, where it relaxes while performing work.
  • Each burner can be assigned a separate combustion chamber, the working medium flowing out of the combustion chambers being able to be brought together in front of or in the turbine unit.
  • the combustion chamber can also be designed in a so-called annular combustion chamber design, in which a plurality, in particular all, of the burners open into a common, usually annular combustion chamber.
  • the components and components exposed to this hot medium are exposed to particularly high thermal loads.
  • a configuration with particularly heat-resistant materials and cooling of the components concerned, in particular the combustion chamber, is usually necessary.
  • the gel aimed to achieve the most uniform possible cooling of the components.
  • the combustion chamber wall is usually on the inside, i.e. Combustion chamber side, fully lined with heat shield elements, so that a combustion chamber lining is formed that can withstand the high loads and protects the combustion chamber wall.
  • the heat shield elements can be provided with particularly heat-resistant protective layers on their hot side exposed to the hot medium.
  • the heat shield elements on the cold side opposite the hot side, which faces the combustion chamber wall can be acted upon with a coolant and can be cooled in this way.
  • the vibration behavior of the heat shield elements in particular in the assembled state after fastening in a combustion chamber, must be given particular attention.
  • combustion systems such as Gas turbines, aircraft engines, rocket engines or heating systems can cause thermoacoustically induced combustion vibrations. These result from an interaction of the combustion flame and the associated heat release into the combustion chamber with acoustic pressure fluctuations.
  • the position of the flame, the flame front surface or the mixture composition of the fuel-air mixture can fluctuate due to acoustic excitation, which in turn leads to fluctuations in the heat release. If the phase is constructive, positive feedback and amplification can occur.
  • a so-called combustion vibration can lead to considerable noise pollution and damage from vibrations, possibly even to failure of one or more heat shield elements.
  • thermoacoustically induced instabilities are significantly influenced by the acoustic properties of the combustion chamber and those at the combustion chamber inlet and at the combustion chamber. room outlet and the boundary conditions on the combustion chamber walls.
  • a heat shield element which has a longitudinal axis and a transverse axis, comprising a wall with a hot side, which has a hot side surface which can be acted upon by a hot medium, and with a cold side opposite the hot side, further comprising a first side Wall section and a second wall section adjoining the first wall section along the longitudinal axis, the hot side surface in the first wall section having at least one surface region with a surface contour curved along the longitudinal axis and the transverse axis.
  • the invention is based on the knowledge that the vibration behavior of the heat shield element can be influenced favorably by a targeted geometric contouring of the hot side surface.
  • the contouring in at least one surface area of the first wall section in fact improves the mechanical properties, in particular the rigidity, of the heat shield element, as a result of which the natural vibration modes of the heat shield element are shifted relative to the excitation frequency of a combustion oscillation.
  • the increase in the rigidity of the heat shield element is achieved by stiffening the shape and leads directly to an increase in the eigenmode compared to the relevant excitation frequency of a combustion oscillation. Because of this increase in rigidity due to the geometrical configuration of the hot side surface in the invention the heat shield element is clearly superior to the conventional planar heat shield elements.
  • a two-dimensional curved surface contour is embossed on the surface area, that is to say both along the longitudinal axis and along the transverse axis.
  • a minimum natural frequency when designing a new system, for example a combustion chamber, which should not be undercut by a heat shield element.
  • the dimensions of the heat shield element of the invention can then be increased compared to corresponding heat shield elements without the two-dimensional contouring without significantly changing the mode of operation.
  • a larger area is available for the design of a combustion chamber for dimensioning the heat shield elements.
  • a combustion chamber lining is sufficient due to the large ßer dimensions tolerable in terms of vibration excitation a significantly reduced number of heat shield elements in order to achieve a full-surface lining. This results in an advantage in the number of parts and thus a cost advantage.
  • the mechanical-functional division of the wall of the heat shield element into a first and a second wall section along the longitudinal axis makes it possible, depending on the installation situation and operating conditions of the heat shield brick, to adjust the position of the surface area with a curved surface contour, and thus to adjust the vibration behavior accordingly.
  • the first wall section in the assembled state can face a combustion chamber, for example an annular combustion chamber of a gas turbine, the combustion chamber inlet and thus the burner, while the second wall section adjoins the combustion chamber outlet.
  • the first wall section or the second wall section can each be adapted to the existing geometrical conditions, so that hot combustion gases enter, transfer and exit in the combustion chamber in as uniform a hot gas flow as possible.
  • the hot medium generated by combustion, in particular the hot gas flows along the longitudinal axis of the heat shield element and acts on its hot side surface.
  • the contouring in a surface area of the first wall section advantageously has a favorable influence on the flow of the hot medium through a combustion chamber having the heat shield element and is set such that a more favorable outflow from the combustion chamber is subsequently achieved along the second wall section.
  • the hot side surface in the second wall section can be both conventional, i.e. locally planar, or if so for that
  • Vibration behavior or the flow control function also favorably a surface area with a curved surface. have a contour.
  • the curved surface contour of the hot side surface can extend continuously from the first wall area into the second wall area.
  • the second wall section is inclined in the direction of the hot side with respect to the first wall section.
  • the heat shield element can be used as a segment of the gas turbine liner. With a large number of such heat-shielding elements, a complete planar lining of the combustion chamber wall of the ring combustion chamber can be carried out over the entire circumference of the annular combustion chamber.
  • the hot gas flow from the burner outlet is to be deflected by an angle in the direction of the turbine.
  • the combustion chamber liner is provided for this deflection purpose. This is possible in a particularly simple manner with a combustion chamber liner which has one or more heat shield elements according to the invention.
  • the heat shield element is therefore particularly suitable for this purpose, since the deflection angle can be adjusted to the particular circumstances on account of the first and the second wall section inclined relative thereto, a particularly advantageous inflow into the turbine being achievable.
  • the surface area has a convex and / or a concave surface contour.
  • a convex and / or locally a concave surface contour can also be present only locally in the surface area.
  • a surface area is preferably designed in the form of a saddle surface with a saddle point.
  • a saddle surface is characterized in that, starting from the saddle point, it has curvatures with opposite signs along different directions on the saddle surface. At the saddle point itself, the curvature is locally zero
  • the saddle surface is convex in the direction of the longitudinal axis and concave in the direction of the transverse axis.
  • a second surface area is preferably arranged downstream of the surface area along the longitudinal axis, the surface area merging into the second surface area via a transition area.
  • the transition of the surface area and the second surface area takes place advantageously continuously, i.e. e.g. at least steadily or continuously differentiable.
  • surface areas with differently curved surface contours can be “smoothly connected to one another. Good results can thus be achieved both with regard to the flow control function of the heat shield element for the hot medium and with regard to the mechanical strength.
  • the combination of surface areas with differently curved surface contours can improve the mechanical properties and increase the stiffening effect on the heat shield element designed in this way overall.
  • the second surface area preferably has a spherical surface contour. This can be achieved, for example, with a spherical cap.
  • the spherical surface contour can refer to the hot side surface to the outside arched out of the wall, ie convex, or arched inwards into the wall, ie concave.
  • a surface area in the form of a saddle surface is combined with a second surface area with a spherical contour
  • the saddle surface is convex in the direction of the longitudinal axis - i.e. arched out of the wall - and curved concavely in the direction of the transverse axis.
  • the second surface area adjoining the transition area in the longitudinal direction is spherical-concave. Viewed linearly in the longitudinal direction along the hot side of the heat shield brick, this results in an S shape of the hot side surface in the first wall section. In terms of flow technology and vibration technology, this contouring has proven to be particularly favorable in the surface areas of the hot side surface.
  • a heat shield element in a combustion chamber, e.g. an annular combustion chamber of a gas turbine, it is also achieved that during operation the flame of a burner no longer directly reaches the hot side surface due to the evasive S shape of the hot side surface, especially in the second surface area with a spherical-concave contour. This is advantageously associated with a lower heat input into the heat shield element, so that there is a lower cooling power requirement.
  • the heat shield element preferably has a heat-resistant protective layer, in particular a ceramic thermal insulation layer, on the hot side.
  • the hot side surface exposed to the hot gas is advantageously formed entirely by a heat insulation layer which has been applied to the base material of the heat shield element by a coating process, for example thermal spraying or vapor deposition.
  • the heat insulation layer reduces the heat transfer from the hot side to the cold side of the heat shield element, so that the combustion chamber wall does not heat up as much and is protected against thermal damage.
  • the base material itself consists of a high temperature resistant alloy, for example a high temperature resistant beam alloy.
  • the cold side preferably has a cooling surface which can be acted upon by a coolant.
  • a cooling process also known as "impact cooling *"
  • impingement cooling a coolant, usually cooling air, is fed to the heat shield elements through a multiplicity of bores in the combustion chamber wall, so that the coolant impinges essentially perpendicularly on its cooling surface which is formed on the cold side and faces the combustion chamber wall.
  • the coolant heated by the cooling process e.g. Cooling air is then discharged from the interior, which the combustion chamber wall forms with the heat shield elements.
  • Convective cooling is achieved by structuring the cooling surface, e.g. reinforced by scoring, or ribs.
  • the cooling surface in the first wall section can also have at least one surface area with a surface contour curved along the longitudinal axis and the transverse axis.
  • the heat shield elements are used in a combustion chamber.
  • the combustion chamber is provided with a combustion chamber lining which has heat shield elements according to the invention and its advantageous configurations.
  • Such a combustion chamber with heat shield elements is preferably part of a gas turbine.
  • gas turbines are used in the
  • a fuel / air mixture is ignited and burns in the combustion chamber.
  • the resulting hot combustion gases expand in the direction of a turbine space downstream of the combustion chamber, where they meet an arrangement of guide vanes and
  • Blades and drive the blades and thus the rotor of the turbine connected to the blades.
  • the mechanical energy thus obtained can finally be used to generate electricity, for example.
  • the cooling medium air or steam cooling
  • Cooling medium in the process combustion, expansion
  • closed air cooling which is very advantageous compared to open air cooling
  • the heated air is used completely for combustion after the cooling task has been completed, and the heat carried is also returned;
  • the closed air cooling thus enables higher performance / efficiency and lower NO x emissions than, for example, the open air cooling.
  • open air cooling With open air cooling, the "cold * cooling air is mixed with the heating gas flow downstream of the combustion (lower gas turbine efficiency, higher pollutant values). Regardless of construction principles, closed air cooling is clearly superior to open air cooling.
  • a combustion chamber lining can be provided with a number of temperature-resistant, stiffened heat shield elements, so that a complete combustion chamber lining is formed in the annular space, a so-called combustion chamber liner.
  • an annular space for the passage of the cooling medium is advantageously possible.
  • FIG. 3 shows a perspective view of a heat shield
  • FIG. 4 shows a view of the heat cut element shown in FIG. 3 along its longitudinal axis on the end face
  • FIG. 5 shows a vertical section through the upper half-shell of an annular combustion chamber in the region of the inlet mouth
  • FIG. 6 shows a vertical section through the upper half-shell of an annular combustion chamber in the region of the inlet mouth with an alternative configuration of the heat shield elements to FIG. 5.
  • the gas turbine 1 has a compressor 2 for combustion air, a combustion chamber 4 and a turbine 6 for driving the compressor 2 and a generator or a working machine (not shown).
  • the turbine 6 and the compressor 2 are arranged on a common turbine shaft 8, also referred to as a turbine rotor, to which the generator or the working machine is also connected, and which is rotatably mounted about its central axis 9.
  • the combustion chamber 4, which is designed as an annular combustion chamber, is equipped with a number of burners 10 for the combustion of a liquid or gaseous fuel.
  • the turbine 6 has a number of rotatable rotor blades 12 connected to the turbine shaft 8.
  • the running show finely 12 are arranged in a ring shape on the turbine shaft 8 and thus form a number of rows of moving blades.
  • the turbine 6 comprises a number of stationary guide vanes 14, which are also attached to an inner casing 16 of the turbine 6 in a ring shape, with the formation of rows of guide vanes.
  • the blades 12 are used to drive the turbine shaft 8 by transferring momentum from the hot medium flowing through the turbine 6, the working medium M.
  • the guide blades 14, serve to guide the flow of the working medium M between two successive rows of blades or rotor blades as seen in the flow direction of the working medium M.
  • a successive pair of a ring of guide vanes 14 or a row of guide vanes and a ring of rotor blades 12 or a row of rotor blades is also referred to as a turbine stage.
  • Each guide vane 14 has a platform 18, also referred to as a blade root, which is arranged as a wall element for fixing the respective guide vane 14 to the inner housing 16 of the turbine 6.
  • the platform 18 is a thermally comparatively heavily loaded component, which forms the outer boundary of a heating gas channel for the working medium M flowing through the turbine 6.
  • Each rotor blade 12 is fastened in an analogous manner to the turbine shaft 8 via a platform 20 which is also referred to as a blade root.
  • a guide ring 21 is arranged on the inner casing 16 of the turbine 6 between the spaced-apart platforms 18 of the guide vanes 14 of two adjacent rows of guide vanes.
  • the outer surface of each guide ring 21 is likewise exposed to the hot working medium M flowing through the turbine 6 and is spaced in the radial direction from the outer end 22 of the rotor blade 12 opposite it by a gap.
  • the guide rings 21 arranged between adjacent rows of guide vanes serve in particular as cover elements which cover the inner wall 16 or other housing built-in parts protects against thermal overload by the hot working medium M flowing through the turbine 6.
  • the combustion chamber 4 is delimited by a combustion chamber housing 29, a combustion chamber wall 24 being formed on the combustion chamber side.
  • the combustion chamber 4 is designed as a so-called annular combustion chamber, in which a plurality of burners 10 arranged in the circumferential direction around the turbine shaft 8 open into a common combustion chamber space.
  • the combustion chamber 4 is configured in its entirety as an annular structure which is positioned around the turbine shaft 8.
  • the combustion chamber 4 is shown in section in FIG. 2, which continues in a toroidal manner around the turbine shaft 8.
  • the combustion chamber 4 has an initial or inflow section into which the outlet of the respectively assigned burner 10 opens.
  • the cross section of the combustion chamber 4 then narrows, the resulting flow profile of the working medium M being taken into account in this area.
  • the combustion chamber 4 has a curvature in longitudinal section, by means of which the outflow of the working medium M from the combustion chamber 4 is promoted in a first rotor blade row, which is downstream for a particularly high impulse and energy transfer, as seen on the flow side.
  • the working medium M is deflected from a direction essentially parallel to the burner axis 39 into a direction parallel to the central axis 9.
  • the combustion chamber 4 is designed for a comparatively high temperature of the working medium M of approximately 1200 ° C. to 1500 ° C.
  • the combustion chamber wall 24 is provided on its side facing the working medium M with a combustion chamber lining formed from heat shield elements 26.
  • the heat shield elements 26 are fastened to the combustion chamber wall 24 by fastening means 37, leaving a gap.
  • Each heat shield element 26 is equipped with a particularly heat-resistant protective layer 31 on the working medium side, that is to say on its hot side 35. Due to the high temperatures inside the combustion chamber 4, a cooling system is also provided for the heat shield elements 26.
  • the cooling system is based on the principle of convective cooling, in which coolant, for example cooling air, is guided along a surface of the component to be cooled.
  • coolant for example cooling air
  • the cooling system can be designed for impingement cooling, in which cooling air is blown as coolant K under sufficiently high pressure at a large number of points onto the component to be cooled, perpendicular to a component surface.
  • the cooling system is designed for a reliable, area-wide application of cooling air K to the heat shield elements 26 and also for a particularly low loss of coolant pressure.
  • the heat shield elements 26 are cooled from their cold side 33 by the cooling air K, which is supplied to an intermediate space 27 formed between the heat shield element 26 and the combustion chamber wall 24 by suitable supply lines (not shown in more detail) and, depending on the cooling mechanism, on or along the cold side 33 respective heat shield element 26 is passed.
  • suitable supply lines not shown in more detail
  • the heated air is completely used for combustion in the burner 10 and the heat carried along is likewise returned; closed air cooling thus enables higher performance / efficiency and lower NO x emissions than, for example, open air cooling.
  • open air cooling With open air cooling, the "cold * cooling air is fed to the heating gas mixed upstream downstream of the combustion, which leads to lower gas turbine efficiency and higher pollutant values.
  • a combustion chamber lining is provided with a number of heat-resistant heat shield elements 26 which are stiffened according to the invention. In this way, a complete, largely leak-free combustion chamber lining is formed in the annular space, a so-called combustion chamber liner.
  • the vibration behavior of the heat shield element 26 is hereby favorably influenced by a targeted geometric contour, so that the natural vibration modes of the heat shield element 26 are increased compared to the excitation frequency of a combustion vibration. Resonance effects through positive feedback can thus be avoided.
  • 3 shows a simplified perspective illustration of an exemplary embodiment of a heat shield element 26 and
  • FIG. 4 shows a somewhat enlarged view of the end face of the heat shield element 26 shown in FIG. 3.
  • the heat shield element 26 extends along a longitudinal axis 43 and a transverse axis running perpendicular to the longitudinal axis 43 45.
  • the heat shield element 26 comprises a wall 47 which has a hot side 35 with a hot side surface 55 which can be acted upon by the hot working medium M.
  • a cold side 33 is provided opposite the hot side 35 of the wall 47.
  • the wall 47 has two wall sections 47A, 47B, a first wall section 47A being arranged upstream of a second wall section 47B along the longitudinal axis 43 in the flow direction of the working medium M. Furthermore, the second wall section 47B is inclined in relation to the first wall section 47A in the direction of the hot side 35, so that the second
  • Wall section 47B forms an inclination angle with the longitudinal axis 43.
  • the inclination is set so that a consistent structural adaptation to the lining of a combustion chamber wall 24 (see FIG. 2) is achieved.
  • Surface regions 57A, 57B are formed on the hot side surface 55 in the first wall section 47A.
  • the surface regions 57A, 57B each have a non-planar, that is to say curved, surface contour along the longitudinal axis 43 and along the transverse axis 45.
  • the surface region 57A is concavely curved in the direction of the transverse axis 45 and convexly curved in the direction of the longitudinal axis 45, so that a saddle surface 59 with a saddle point P s is formed in the surface region 57A.
  • the second surface region 57B has a spherical surface contour and is arranged along the longitudinal axis 43 in the flow direction of the working medium M, for example the hot combustion gas, downstream of the surface region 57A, the surface region 57A merging into the second surface region 57B via a transition region 61.
  • the shape by surface contouring in the surface area 57A, 57B of the first wall section 47A improves the mechanical properties, in particular the rigidity, of the heat shield element 26.
  • the natural vibration modes of the heat shield element 26 are influenced in a targeted manner with respect to the excitation frequency of a combustion vibration.
  • the increase in the stiffness of the heat shield element 26 is achieved by stiffening the shape and leads directly to an increase in the eigenmode compared to the relevant excitation frequency of a combustion oscillation. Because of this increase in rigidity due to the geometrical configuration of the hot-side surface in the case of the invention, the heat shield element 26 is clearly superior to the conventional planar heat shield elements.
  • a two-dimensional curved surface contour is embossed on the surface region 57A, 57B both along the longitudinal axis 43 and along the transverse axis 45.
  • a curved surface contour can also be embossed on the cold side 33 or on the surfaces in the second wall section 47B, where this further improves the vibration Behavior with regard to a low susceptibility to resonance excitation caused by the usual combustion vibration frequencies.
  • a conventional - essentially planar - heat shield element has a typical natural frequency at, for example, 380 Hz, whereas an increase in the natural frequency to 440 Hz could be achieved by the contouring according to the invention with otherwise the same dimensions.
  • already concave and / or convex surface contours with only small radii of curvature increase the stiffness of the heat shield element 26.
  • an S-shaped contour is reached in the first wall section 47A, whereas the second wall section 47B is largely planar.
  • the heat shield element 26 when used in a combustion chamber 4, favorable flow guidance of the working medium M is achieved.
  • a particularly uniform and low flow loss deflection of the hot working medium M with subsequent inflow into the turbine blading is achieved.
  • the S shape also avoids direct flame exposure to the hot side surface 55.
  • this surface contour brings about an improved overflow of the working medium M along the hot side surface 55 from the first wall section 47A to the second wall section 47B.
  • a heat-resistant protective layer 31 for example a ceramic, high-temperature-resistant thermal insulation layer, is applied to its hot side 35.
  • a cooling surface 53 is formed on the cold side 33, to which a coolant K, for example cooling air, is applied.
  • a thermally highly resilient and easily coolable component is specified, with which a flat lining, in particular a full-surface combustion chamber lining, can be realized in a simple manner, which is particularly less susceptible to combustion vibrations due to the shape stiffening.
  • FIGS. 5 and 6 each show a vertical section through the upper half-shell of an annular combustion chamber in the region of the inlet mouth, ie, for example, viewed in the direction of FIG.
  • the heat shield elements 26 are arranged within the combustion chamber housing 29 over the full circumference around the central axis 9, so that a full-surface combustion chamber lining is achieved.
  • An intermediate space 27 remains between the cold side 33 of the combustion chamber lining and the combustion chamber wall 24, which is used for cooling purposes.
  • the hot side surface 55 of the heat cut elements 26 has a respective surface area 57A, in which a curved surface contour is embossed.
  • the surface area 57A viewed from the interior of the combustion chamber, is concave, while in FIG. 6 there is a convex curvature in the surface region 57A.
  • the combustion chamber lining is in each case implemented with heat shield elements of essentially identical construction, which is particularly advantageous in terms of production technology.
  • a minimum natural frequency can advantageously be predetermined, which should not be undercut by a respective heat shield element 26.
  • the dimensions of the heat shield element 26 of the invention can then be increased compared to corresponding heat shield elements without the two-dimensional contouring without significantly changing the mode of operation. This means that a larger area is available for the structural design of the combustion chamber 4 for the dimensioning of the heat shield elements 26.
  • a significantly reduced number of heat shield elements 26 is sufficient to achieve a full-surface lining due to the larger dimensions which are tolerable with regard to vibration excitation. This results in an advantage in the number of parts and thus a cost advantage.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Supercharger (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hitzeschildelement (26), das eine Längsachse (43) und eine Querachse (45) aufweist. Das Hitze-schildelement (26) besteht aus einer Wand (47) mit einer Heissseite (35), die eine mit einem heissen Medium (M) beaufschlagbare Heissseitenoberfläche (55) aufweist und aus einer der Heissseite (35) gegenüberliegende Kaltseite. Die Wand (47) hat einen ersten Wandabschnitt (47A) und einen ent-lang der Längsachse (43) an den ersten Wandabschnitt (47A) angrenzenden zweiten Wandabschnitt (47B). Zumindest im ersten Wandabschnitt (47A) weist die Heißseitenoberfläche (55) einen Oberflächenbereich (57A, 57B) mit entlang der Längsachse (43) und der Querachse (45) gekrümmter Oberflächenkontur auf. Hierdurch wird eine Formversteifung für das Hitzeschildele-ment (26) erreicht, die sich günstig auf dessen Schwingungs-verhalten aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkammer (4), die mit derartigen Hitzeschildelementen aus-gekleidet ist sowie eine Gasturbine (1) mit einer Brennkammer (4).

Description

Besehreibung
Hitzeschildelement, Brennkammer sowie Gasturbine
Die Erfindung betrifft ein Hitzeschildelement, insbesondere zum Schutz von Bauteilen in einer thermisch hochbelasteten Maschine, wie z.B. von Bauteilen einer Gasturbine. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkammer mit einer hitzebeständigen Brennkammerauskleidung sowie eine Gasturbine mit einer Brennkammer.
Bauteile in einer thermisch hochbelasteten Maschine werden beim regulären Betrieb dieser Maschine hohen Temperaturen ausgesetzt. In einer thermischen Maschine, insbesondere in einer Gasturbine, werden durch ein heißes Medium, z.B. durch ein Heißgas aus einem Verbrennungsprozess in einer Brennkammer, primär die das heiße Medium begrenzenden Oberflächen und die dazugehörigen Bauteile thermisch und thermomechanisch sehr stark belastet. Infolge von Wärmetransport durch diese begrenzenden Oberflächen, wie er beispielsweise in Form von Wärmeleitung oder Wärmestrahlung auftritt, sind darüber hinaus auch Bauteile, die nicht unmittelbar dem heißen Medium ausgesetzt sind, hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Somit erfüllen die dem heißen Medium ausgesetzte Bauteile zwei Funktionen: Den Einschluss des heißen Mediums und den Schutz anderer, möglicherweise weniger hitzebeständiger Bauteile oder Komponenten vor Überhitzung oder thermischer Zerstörung. Demzufolge ergeben sich hohe Anforderungen vor allem an Werkstoffeigenschaften sowie die konstruktive Ausgestaltung und Montage dieser thermisch hochbelasteten Bauteile. Darüber hinaus sind häufig noch Anforderungen an die Kühlbar- keit solcher Bauteile zu berücksichtigen.
Brennkammern sind Bestandteile von Gasturbinen, die in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren oder von Arbeitsmaschinen eingesetzt werden. Dabei wird der Energieinhalt eines Brennstoffs zur Erzeugung einer Rotationsbewegung einer Tur- binenwelle genutzt. Der Brennstoff wird dazu von Brennern in den ihnen nachgeschalteten Brennkammern verbrannt, wobei von einem Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird. Durch die Verbrennung des Brennstoffs wird ein unter hohem Druck stehendes Arbeitsmedium mit einer hohen Temperatur erzeugt. Dieses Arbeitsmedium wird in eine den Brennkammern nachgeschaltete Turbineneinheit geführt, wo es sich arbeitsleistend entspannt .
Dabei kann jedem Brenner eine separate Brennkammer zugeordnet sein, wobei das aus den Brennkammern abströmende Arbeitsmedium vor oder in der Turbineneinheit zusammengeführt sein kann. Alternativ kann die Brennkammer aber auch in einer so genannten Ringbrennkammer-Bauweise ausgeführt sein, bei der eine Mehrzahl, insbesondere alle, der Brenner in eine gemeinsame, üblicherweise ringförmige Brennkammer münden.
Bei der Auslegung derartiger Gasturbinen ist zusätzlich zur erreichbaren Leistung üblicherweise ein besonders hoher Wir- kungsgrad ein Auslegungsziel. Eine Erhöhung des Wirkungsgrades lässt sich dabei aus thermodynamisehen Gründen grundsätzlich durch eine Erhöhung der Austrittstemperatur erreichen, mit der das Arbeitsmedium von der Brennkammer ab- und in die Turbineneinheit einströmt. Daher werden Temperaturen von etwa 1200 °C bis 1500 °C für derartige Gasturbinen angestrebt und auch erreicht.
Bei derartig hohen Temperaturen des Arbeitsmediums sind jedoch die diesem heißen Medium, z.B. ein Heißgas, ausgesetzten Komponenten und Bauteile besonders hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Um dennoch bei hoher Zuverlässigkeit eine vergleichsweise lange Lebensdauer der betroffenen Komponenten zu gewährleisten, ist üblicherweise eine Ausgestaltung mit besonders hitzebeständigen Materialien und eine Kühlung der betroffenen Komponenten, insbesondere der Brennkammer, nötig. Um thermische Verspannungen des Materials zu verhindern, welche die Lebensdauer der Komponenten begrenzt, wird in der Re- gel angestrebt, eine möglichst gleichmäßige Kühlung der Komponenten zu erreichen.
Die Brennkammerwand ist dazu in der Regel auf ihrer Innen- seite, d.h. brennraumseitig, mit Hitzeschildelementen vollflächig ausgekleidet, so dass eine Brennkammerauskleidung gebildet ist, die den hohen Belastungen standhält und die die Brennkammerwand schützt. Die Hitzeschildelemente können auf ihrer dem heißen Medium ausgesetzten Heißseite mit besonders hitzebeständigen Schutzschichten versehen werden. Zusätzlich können die Hitzeschildelemente auf der der Heißseite gegenüberliegenden Kaltseite, die der Brennkammerwand zugewandt ist, mit einem Kühlmittel beaufschlagt und auf diese Weise gekühlt werden.
Neben den vorgenannten thermischen oder thermomechanischen Eigenschaften ist das Schwingungsverhalten der Hitzeschildelemente, insbesondere im Montagezustand nach Befestigung in einer Brennkammer, besonders zu beachten. In Verbrennungssys- te en wie z.B. Gasturbinen, Flugtriebwerken, Raketenmotoren oder Heizungsanlagen kann es nämlich zu thermoakustisch induzierten VerbrennungsSchwingungen kommen. Diese entstehen durch eine Wechselwirkung der Verbrennungsflamme und der damit verbundenen Wärmefreisetzung in den Brennraum mit akusti- sehe Druckschwankungen. Durch eine akustische Anregung kann die Lage der Flamme, die Flammenfrontfläche oder die Gemischzusammensetzung des Brennstoff-Luft-Gemisches schwanken, was wiederum zu Schwankungen der WärmefreiSetzung führt. Bei konstruktiver Phasenlage kann es zu einer positiven Rückkopplung und Verstärkung kommen. Eine sogenannte Verbrennungsschwingung kann zu erheblichen Lärmbelästigungen und zu Schädigungen durch Vibrationen, möglicherweise sogar zum Versagen eines oder mehrerer Hitzeschildelemente, führen.
Wesentlich beeinflusst werden diese thermoakustisch hervorgerufenen Instabilitäten durch die akustischen -Eigenschaften des Brennraumes und die am Brennraumeintritt und am Brenn- raumaustritt sowie an den Brennkammerwänden vorliegenden Randbedingungen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher ein thermisch hochbelastbares und möglichst gut kühlbares Hitzeschildelement anzugeben. Dabei soll mit dem Hitzeschildelement zugleich auf einfache Weise eine flächige Auskleidung, insbesondere eine vollflächige Brennkammerauskleidung, realisierbar sein, die wenig anfällig gegenüber VerbrennungsSchwingungen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Hitze- schildelement, das eine Längsachse und eine Querachse aufweist, umfassend eine Wand mit einer Heißseite, die eine mit einem heißen Medium beaufschlagbare Heißseitenoberfläche auf- weist, und mit einer der Heißseite gegenüberliegende Kaltseite, weiter umfassend einen ersten Wandabschnitt und einen entlang der Längsachse an den ersten Wandabschnitt angrenzenden zweiten Wandabschnitt wobei im ersten Wandabschnitt die Heißseitenoberfläche zumindest einen Oberflächenbereich mit entlang der Längsachse und der Querachse gekrümmter Oberflächenkontur aufweist.
Die Erfindung geht hierbei von der Erkenntnis aus, dass das Schwingungsverhalten des Hitzeschildelements durch eine ge- zielte geometrische Konturgebung der Heißseitenoberfläche günstig beeinflusst werden kann. Durch die Konturgebung in zumindest einem Oberflächenbereich des ersten Wandabschnitts ist nämlich eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Steifigkeit des Hitzeschildelements er- reicht, wodurch die Eigenschwingungsmoden des Hitzeschildelements gegenüber der Anregungsfrequenz einer Verbrennungsschwingung verschoben wird. Die Erhöhung der Steifigkeit des Hitzeschildelements erfolgt durch Formversteifung und führt unmittelbar zu einer Erhöhung der Eigenmode gegenüber der maßgeblichen Anregungsfrequenz einer Verbrennungsschwingung. Aufgrund dieser Erhöhung der Steifigkeit durch geometrische Ausgestaltung der Heißseitenoberfläche bei der Erfindung ist das Hitzeschildelement den konventionellen planaren Hitzeschildelementen deutlich überlegen. Dabei ist eine zweidimen- sionale gekrümmte Oberflächenkontur, d.h. sowohl entlang der Längsachse als auch entlang der Querachse dem Oberflächenbe- reich aufgeprägt.
Von besonderem Vorteil erweist sich dabei die Tatsache, dass bei einer vorgegebenen einbaubedingten Dimension des Hitze- schildelements, z.B. dessen Abmessung entlang der Querachse, durch die gekrümmte Kontur bereits eine Erhöhung der Steifigkeit und damit die für eine Vibrationsanregung maßgeblichen Eigenmode deutlich erhöht wird. Festigkeitsberechnungen haben gezeigt, dass beispielsweise ein herkömmliches planares Hitzeschildelement eine typische Eigenfreqeunz bei 380 Hz auf- weist, wohingegen durch die Konturgebung gemäß der Erfindung bei ansonsten gleichen Abmessungen eine Erhöhung der Eigenfrequenz auf 440 Hz erreicht werden konnte. Bekannte Hitze- schildelemente könnten somit also möglicherweise noch nachträglich ertüchtigt werden, in dem man ihnen eine zweidimen- sionale gekrümmte Oberflächenkontur aufprägt. Das Schwingungsverhalten einer Brennkammer, die diese Hitzeschildelemente als Brennkammerauskleidung aufweist kann mithin durch die Ertüchtigung einzelner Hitzeschildelemente durch die versteifende Wirkung der gekrümmten Oberflächenkontur verbessert werden.
Es ist andererseits vorteilhafterweise auch möglich, bei der Auslegung einer Neuanlage, beispielsweise einer Brennkammer, eine minimale Eigenfrequenz vorzugeben, die von einem Hitze- schildelement nicht unterschritten werden soll. Dann können die Abmessungen des Hitzeschildelementes der Erfindung gegenüber entsprechenden Hitzeschildelementen ohne die zweidimen- sionale Konturgebung vergrößert werden ohne die Eigenmode nennenswert zu verändern. Damit steht für die konstruktive Auslegung einer Brennkammer für die Dimensionierung der Hitzeschildelemente ein größerer Bereich zur Verfügung. Vor allem genügt bei einer Brennkammerauskleidung aufgrund der grö- ßeren im Hinblick auf Schwingungsanregung tolerierbaren Abmessungen eine deutlich verringerte Anzahl von Hitzeschildelementen, um eine vollflächige Auskleidung zu erreichen. Somit ist ein Vorteil in der Teilezahl und damit ein Kostenvor- teil erreicht.
Die mechanisch-funktioneile Aufteilung der Wand des Hitzeschi1delements in einen ersten und in einen zweiten Wandabschnitt entlang der Längsachse ermöglicht es, je nach Einbau- Situation und Betriebsbedingungen des Hitzeschildsteins, den die Lage des Oberflächenbereich mit gekrümmter Oberflächenkontur anzupassen, und damit das Schwingungsverhalten entsprechend einzustellen. So kann beispielsweise der erste Wandabschnitt im Montagezustand in eine Brennkammer, etwa ei- ne Ringbrennkammer einer Gasturbine, dem Brennraumeintritt und damit dem Brenner zugewandt sein, während der zweite Wandabschnitt an den Brennraumaustritt angrenzt. Im Mündungsbereich von Brennraumeintritt und Brennraumaustritt ist der erste Wandabschnitt bzw. der zweite Wandabschnitt jeweils an die vorliegenden geometrischen Gegebenheiten von anpassbar, so dass ein Eintritt, Transfer und Austritt von heißen Verbrennungsgasen im Brennraum in einem möglichst gleichförmigen Heißgasstrom erreicht ist. Das durch Verbrennung erzeugte heiße Medium, insbesondere das Heißgas strömt dabei entlang der Längsachse des Hitzeschildelements und beaufschlagt dessen Heißseitenoberfläche.
Durch die Konturgebung in einem Oberflächenbereich des ersten Wandabschnitts wird vorteilhafterweise die Strömung des hei- ßen Mediums durch einen den Hitzeschildelement aufweisenden Brennraum günstig beeinflusst und so eingestellt, so dass nachfolgend entlang des zweiten Wandabschnitts eine günstigere Ausströmung aus dem Brennraum erreicht ist. Die Heißseitenoberfläche kann dabei im zweiten Wandabschnitt sowohl kon- ventionell, d.h. lokal planar, oder aber falls für das
Schwingungsverhalten oder die Strömungsleitfunktion günstig ebenfalls einen Oberflächenbereich mit gekrümmter Oberflä- chenkontur aufweisen. Im zweiten Fall kann sich die gekrümmte Oberflächenkontur der Heißseitenoberfläche von dem ersten Wandbereich bis in den zweiten Wandbereich hinein kontinuierlich erstrecken.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist der zweite Wandabschnitt gegenüber dem ersten Wandabschnitt in Richtung der Heißseite geneigt. Je nach Neigungswinkel können somit unterschiedliche Einbau- bzw. Betriebssituationen des Hitzeschild- elements realisiert werden. Beispielsweise bei einer Ringbrennkammer einer Gasturbine, die mit einem sogenannten Brennkammerliner zur Begrenzung und zur Strömungsführung des Heißgases zu einer nachgeschalteten Turbine ausgestattet ist, kann das Hitzeschildelement als ein Segment das Gasturbinen- liners eingesetzt werden. Mit einer Vielzahl solcher Hitzeschi1delemente kann über den vollen Umfang der Ringbrennkammer eine vollständige flächige Auskleidung der Brennkammerwand der Ringbrennkammer durchgeführt werden. Bei derartigen Ringbrennkammern ist nämlich der Heißgasstrom vom Brenneraus- tritt in Richtung der Turbine um einen Winkel umzulenken. Zu diesem Umlenkzweck ist unter anderem der Brennkammerliner vorgesehen. Mit einem Brennkammerliner, der eines oder mehrere Hitzeschildelemente gemäß der Erfindung aufweist ist dies besonders einfach möglich. Daher ist das Hitzeschildelement der in besonderer Weise hierfür geeignet, da aufgrund des ersten und des demgegenüber geneigten zweiten Wandabschnitts der Umlenkwinkel auf die jeweiligen Gegebenheiten hin eingestellt werden kann, wobei eine besonders vorteilhafte Einströmung in die Turbine erreichbar ist.
In bevorzugter Ausgestaltung weist der Oberflächenbereich eine konvexe und/oder eine konkave Oberflächenkontur auf. Dabei kann auch lediglich lokal eine konvexe und/oder lokal eine konkave Oberflächenkontur im Oberflächenbereich vorliegen. Eine gekrümmte Oberflächenkontur die flächig, d.h. in zwei
Dimensionen entlang der Längsachse und der Querachse betrachtet, konvex bzw. konkav ist, kann beispielsweise durch Ober- flächenabschnitte von geometrischen Gebilden wie Kugel, Para- boloid, Ellipsoid, Hyperboloid oder aber ganz allgemein durch zweidimensionale Kurven der Differentialgeometrie etwa der form z = f(x,y) realisiert sein.
Bevorzugt ist ein Oberflächenbereich in Form einer Sattelfläche mit einem Sattelpunkt ausgestaltet. Eine Sattelfläche zeichnet sich bekanntlich dadurch aus, dass diese ausgehend vom Sattelpunkt entlang unterschiedlicher Richtungen auf der Sattelfläche Krümmungen mit entgegengesetztem Vorzeichen aufweist. Im Sattelpunkt selber ist die Krümmung lokal Null
Die Sattelfläche ist in bevorzugter Ausgestaltung in Richtung der Längsachse konvex und in Richtung der Querachse konkav gekrümmt.
Vorzugsweise ist entlang der Längsachse dem Oberflächenbereich ein zweiter Oberflächenbereich nachgeordnet, wobei der Oberflächenbereich über einen Übergangsbereich in den zweiten Oberflächenbereich übergeht. Der Übergang des Oberflächenbe- reichs und des zweiten Oberflächenbereichs erfolgt dabei vorteilhafterweise kontinuierlich, d.h. z.B. zumindest stetig oder aber stetig-differenzierbar. Auf diese Weise sind Oberflächenbereiche mit verscheiden gekrümmter Oberflächenkontur miteinander „glatt verbindbar. Damit können sowohl im Hinblick auf die Strömungsleitfunktion des Hitzeschildelements für das heiße Medium als auch im Hinblick auf die mechanische Festigkeit gute Ergebnisse erzielt werden. Insbesondere können durch die Kombination von Oberflächenbereichen mit unter- schiedlich gekrümmter Oberflächenkontur die mechanischen Eigenschaften verbessert und die versteifende Wirkung auf das so ausgestaltete Hitzeschildelement insgesamt erhöht werden.
Vorzugsweise weist der zweite Oberflächenbereich eine sphäri- sehe Oberflächenkontur auf. Diese ist zum Beispiel durch eine Kugelkappe realisierbar. Dabei kann die sphärische Oberflächenkontur bezogen auf die Heißseitenoberfläche nach außen aus der Wand heraus gewölbt, d.h. konvex, oder nach innen in die Wand hinein gewölbt, d.h. konkav sein.
Von besonderem Vorteil erweist sich eine Ausgestaltung bei der ein Oberflächenbereich in Form einer Sattelfläche mit einem zweiten Oberflächenbereich mit sphärischer Kontur kombiniert werden. Die Sattelfläche ist hierbei in Richtung der Längsachse konvex - d.h. aus der Wand heraus gewölbt - und in Richtung der Querachse konkav gekrümmt. Der sich über den Übergangsbereich in Längsrichtung anschließende zweite Oberflächenbereich ist sphärisch-konkav. Somit ergibt sich linear in Längsrichtung entlang der Heißseite des Hitzeschildsteins betrachtet im ersten Wandabschnitt eine S-Form der Heißseitenoberfläche. Strömungstechnisch und schwingungstechnisch erweist sich diese Konturgebung in den Oberflächenbereichen der Heißseitenoberfläche als besonders günstig. Im Hinblick auf den Montagezustand eines Hitzeschildelements in einer Brennkammer, z.B. einer Ringbrennkammer einer Gasturbine, wird überdies erreicht, dass im Betrieb die Flamme eines Brenners aufgrund der ausweichenden S-Form der Heißseitenoberfläche die Heißseitenoberfläche nicht mehr unmittelbar erreicht, vor allem im zweiten Oberflächenbereich mit sphärisch-konkaver Kontur. Dies ist vorteilhafterweise mit einem geringeren Wärmeeintrag in das Hitzeschildelement verbunden, so dass ein geringerer Kühlleistungsbedarf zu verzeichnen ist.
Vorzugsweise weist das Hitzeschildelement eine hitzebeständige Schutzschicht, insbesondere eine keramische Wärmedämm- Schicht, auf der Heißseite auf. Die dem Heißgas ausgesetzte Heißseitenoberfläche wird dabei vorteilhafterweise vollständig von einer Wärmedämmschicht gebildet, die durch einen Be- schichtungsprozess, z.B. thermisches Spritzen oder Aufdampfen, auf das Grundmaterial des Hitzeschildelements aufge- bracht wurde. Auf diese Weise ist das Hitzeschildelement beständig gegenüber den hohen Belastungen wie Sie in einer Brennkammer einer Gasturbine bei Beaufschlagung mit heißen Verbrennungsgasen vorkommen. Die Wärmedämmschicht verringert den Wärmetransport von der Heißseite zur Kaltseite des Hitzeschildelements, so dass die Brennkammerwand sich nicht so stark erwärmt und vor thermischer Beschädigung geschützt ist. Das Grundmaterial selbst besteht aus einer hochtemperaturfes- ten Legierung, z.B. aus einer hochtemperaturfesten Strahllegierung.
Um die durch das Hitzeschildelement im Betrieb von der Heiß- seite zu der Kaltseite transportierte Wärme anzuführen weist die Kaltseite vorzugsweise eine mit einem Kühlmittel beaufschlagbare Kühloberfläche auf. Dazu wird in der Regel ein auch als „Prallkühlung* bezeichnetes Kühlverfahren eingesetzt. Bei der Prallkühlung wird ein Kühlmittel, in der Regel Kühlluft, durch eine Vielzahl von Bohrungen in der Brennkammerwand den Hitzeschildelementen zugeführt, so dass das Kühlmittel im Wesentlichen senkrecht auf ihre der Brennkammerwand zugewandte auf der Kaltseite gebildete Kühloberfläche prallt. Das durch den Kühlprozess aufgeheizte Kühlmittel, z.B. Kühl- luft, wird anschließend aus dem Innenraum, den die Brennkammerwand mit den Hitzeschildelementen bildet, abgeführt. Ein weiterer Kühlprozess, der bei der Längshinterströmung der Hitzeschildelemente entlang der Kühloberfläche ausgenutzt wird ist die sogenannte konvektive Kühlung. Die konvektive Kühlung wird durch Strukturierung der Kühloberfläche, z.B. durch Riefen, oder Rippen, verstärkt. Analog zu der Heißseitenoberfläche kann im ersten Wandabschnitt auch die Kühloberfläche zumindest einen Oberflächenbereich mit entlang der Längsachse und der Querachse gekrümmter Oberflächenkontur aufweist. Durch beispielsweise konvexe und/oder konkave Oberflächenbereiche auf der Kühloberfläche kann neben den Vorteilen für die genannten Kühlprozessen insbesondere auch eine versteifende Wirkung auf das Hitzeschildelement erreicht werden.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung finden die Hitzeschildelemente Anwendung in einer Brennkammer. Eine solche Brennkammer ist zum Schutz der Brennkammerwand mit einer Brennkammerauskleidung versehen, die Hitzeschildelemente gemäß der Erfindung und ihren vorteilhaften Ausgestaltungen aufweist.
Eine solche Brennkammer mit Hitzeschildelementen ist vorzugsweise Bestandteil einer Gasturbine.
Gasturbinen finden neben der Anwendung zum Erzeugen einer Vorschubkraft, beispielsweise in Luftfahrzeugen, in der
Kraftwerkstechnik verbreitete Anwendung. Ein Brennstoff/Luft- Gemisch wird gezündet und verbrennt in der Brennkammer. Dabei expandieren die entstehenden, heißen Verbrennungsgase in Richtung eines der Brennkammer nachgeschalteten Turbinenrau- mes, treffen dort auf eine Anordnung aus Leitschaufeln und
Laufschaufeln und treiben die Laufschaufeln und somit den mit den Laufschaufeln verbundenen Rotor der Turbine an. Die so gewonnene mechanische Energie kann schließlich beispielsweise zur Stromerzeugung genutzt werden.
Bezüglich der Konstruktion der Turbinenbrennkammer gibt es zwei grundsätzlich verschiedene Ansätze. So sind neben den Ringbrennkammern (RBK) noch Brennkammeranordnungen mit mehreren Einzelbrennkammern, den so genannten Cans, bekannt. Bei der Ringbrennkammer wird von mindestens einem, üblicherweise mehreren Brennern, gezündetes Gasgemisch in eine ringförmige Brennkammer eingeleitet, in der es sich gleichmäßig verteilt und in einem ringförmigen Strom in Richtung der radial um eine Rotorwelle angeordneten Leit- und Laufschaufeln des Turbi- nenraumes strömt. Die bei der Verbrennung entstehenden, hohen Temperaturen wirken auf die Wandungen der Ringbrennkammer ein, so dass es zur Kühlung dieser Brennkammerwandungen besonderer Anforderungen bedarf.
Hierzu können verschiedene Kühlkonzepte zur Anwendung kommen, die bei dem Hitzeschildelement anwendbar sind. So unterscheidet man nach - der Strömungsform: Konvektive, Prall- oder Filmkühlung
- dem Kühlmedium: Luft- oder Dampfkühlung
- der Verwendung des Kühlmediums nach Beendigung der Kühlaufgabe: z.B. ■ „Offene Kühlung mit Zumischung des Kühlmittels stromab der Verbrennung ■ „Geschlossene Kühlung* mit Rückführung des
Kühlmediums in den Prozess (Verbrennung, Expansion)
Bei der gegenüber der offenen Luftkühlung sehr vorteilhaften geschlossenen Luftkühlung wird nach Abschluss der Kühlaufgabe die erwärmte Luft vollständig zur Verbrennung genutzt und die mitgeführte Wärme ebenfalls rückgeführt; die geschlossene Luftkühlung ermöglicht somit höhere Leistungen/Wirkungsgrade sowie niedrigere NOx-Emissionen als z.B. die offene Luftkühlung. Bei der offenen Luftkühlung wird die „kalte* Kühlluft dem Heizgasstrom stromab der Verbrennung zugemischt (niedrigere Gasturbinen-Effizienz, höhere Schadstoffwerte) . Unabhängig von Konstruktionsprinzipien gilt, dass die geschlossene Luftkühlung der offenen deutlich überlegen ist.
Für einen temperaturbeständigen und schwingungsresistenten Aufbau einer Ringbrennkammer kann eine Brennkammerauskleidung mit einer Anzahl von temperaturfesten formversteiften Hitze- schildelementen versehen werden, so dass eine vollflächige Brennkammerauskleidung in dem Ringraum gebildet ist, ein sogenannter Brennkammerliner. Hierbei wird zwischen der Brennkammerauskleidung und dem eigentlichen Ringbrennkammergehäuse, d.h. der Brennkammerwand, ein Ringraum zur Durchleitung des Kühlmediums belassen, so dass vorteilhafterweise eine geschlossene Luftkühlung möglich ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in vereinfachter und nicht maßstäbli- eher Darstellung FIG 1 einen Halbschnitt durch eine Gasturbine,
FIG 2 einen Schnitt durch eine Brennkammer,
FIG 3 in einer perspektivischen Darstellung ein Hitzeschi1de1e ent,
FIG 4 eine Ansicht des in Figur 3 dargestellten Hitzeschi1delements entlang dessen Längsachse auf die Stirnseite,
FIG 5 einen Vertikalschnitt durch der oberen Halbschale einer Ringbrennkammer im Bereich der Eintrittsmündung,
FIG 6 einen Vertikalschnitt durch die obere Halbschale einer Ringbrennkammer im Bereich der Eintrittsmündung mit gegenüber Figur 5 alternativer Ausgestaltung der Hitzeschildelemente.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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 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 9 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 Laufschau- fein 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 6 befestigt sind. Die Laufschaufeln 12 dienen dabei 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 Ar- beitsmediums M zwischen jeweils zwei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen aufeinanderfolgenden Laufschaufelreihen oder Laufschaufelkränzen. Ein aufeinanderfolgendes Paar aus einem Kranz von Leitschaufeln 14 oder einer Leitschaufelreihe und aus einem Kranz von Laufschaufeln 12 oder einer Laufschaufelreihe wird dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet.
Jede Leitschaufel 14 weist eine auch als Schaufelfuß bezeichnete Plattform 18 auf, die zur Fixierung der jeweiligen Leit- schaufei 14 am Innengehäuse 16 der Turbine 6 als Wandelement angeordnet ist. Die Plattform 18 ist dabei ein thermisch vergleichsweise stark belastetes Bauteil, das die äußere Begrenzung eines Heizgaskanals für das die Turbine 6 durchströmende Arbeitsmedium M bildet. Jede Laufschaufei 12 ist in analoger Weise über eine auch als Schaufelfuß bezeichnete Plattform 20 an der Turbinenwelle 8 befestigt.
Zwischen den beabstandet voneinander angeordneten Plattformen 18 der Leitschaufeln 14 zweier benachbarter Leitschaufel- reihen ist jeweils ein Führungsring 21 am Innengehäuse 16 der Turbine 6 angeordnet. Die äußere Oberfläche jedes Führungsrings 21 ist dabei ebenfalls dem heißen, die Turbine 6 durchströmenden Arbeitsmedium M ausgesetzt und in radialer Richtung vom äußeren Ende 22 der ihm gegenüber liegenden Lauf- schaufei 12 durch einen Spalt beabstandet. Die zwischen benachbarten Leitschaufelreihen angeordneten Führungsringe 21 dienen dabei insbesondere als Abdeckelemente, die die Innen- wand 16 oder andere Gehäuse-Einbauteile vor einer thermischen Überbeanspruchung durch das die Turbine 6 durchströmende heiße Arbeitsmedium M schützt.
Die Brennkammer 4 ist von einem Brennkammergehäuse 29 begrenzt, wobei brennkammerseitig eine Brennkammerwand 24 gebildet ist. Im Ausführungsbeispiel ist die Brennkainmer 4 als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um die Turbinenwelle 8 herum an- geordneten Brennern 10 in einen gemeinsamen Brennkammerraum münden. Dazu ist die Brennkammer 4 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Turbinenwelle 8 herum positioniert ist.
Zur weiteren Verdeutlichung der Ausführung der Brennkammerwand 24 ist in Fig. 2 die Brennkammer 4 im Schnitt dargestellt, die sich torusartig um die Turbinenwelle 8 herum fortsetzt. Wie in der Darstellung erkennbar ist, weist die Brennkammer 4 einen Anfangs- oder Einströmabschnitt auf, in den endseitig der Auslass des jeweils zugeordneten Brenners 10 mündet. In Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen verengt sich sodann der Querschnitt der Brennkammer 4, wobei dem sich einstellenden Strömungsprofil des Arbeitsmediums M in diesem Raumbereich Rechnung getragen ist. Ausgangs- seitig weist die Brennkammer 4 im Längsschnitt eine Krümmung auf, durch die das Abströmen des Arbeitsmediums M aus der Brennkammer 4 in einer für einen besonders hohen Impuls- und Energieübertrag auf die strömungsseitig gesehen nachfolgende erste Laufschaufelreihe begünstigt ist. Das Arbeitsmedium M wird beim Durchströmen der Brennkammer von einer Richtung im Wesentlichen parallel zur Brennerachse 39 in eine Richtung parallel zur Mittelachse 9 umgelenkt.
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 4 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 1200 °C bis 1500 °C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebs- Parametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermöglichen, ist die Brennkammerwand 24 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 26 gebildeten Brennkammerauskleidung versehen. Die Hitze- Schildelemente 26 sind über Befestigungsmittel 37 an der Brennkammerwand 24 unter Belassung eines Spalts befestigt. Jedes Hitzeschildelement 26 ist arbeitsmediumsseitig, das heißt auf dessen Heißseite 35, mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht 31 ausgestattet. Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 4 ist zudem für die Hitzeschildelemente 26 ein Kühlsystem vorgesehen. Das Kühlsystem basiert dabei auf dem Prinzip der konvektiven Kühlung, bei dem Kühlmittel, z.B. Kühlluft, entlang einer Oberfläche des zu kühlenden Bauteils geführt wird. Alternativ kann das Kühlsystem für eine Prallkühlung ausgelegt sein, bei dem Kühlluft als Kühlmittel K unter ausreichend hohem Druck an einer Vielzahl von Stellen an das zu kühlende Bauteil senkrecht einer Bauteiloberfläche geblasen wird.
Das Kühlsystem ist bei einem einfachen Aufbau für eine zuverlässige, flächendeckende Beaufschlagung der Hitzeschildelemente 26 mit Kühlluft K und zudem für einen besonders geringen Kühlmitteldruckverlust ausgelegt. Dazu werden die Hitzeschi1delemente 26 von ihrer Kaltseite 33 durch die Kühlluft K gekühlt, die einem zwischen dem Hitzeschildelement 26 und der Brennkammerwand 24 gebildeten Zwischenraum 27 durch geeignete - nicht näher dargestellte Zufuhrleitungen - zugestellt wird und je nach Kühlmechanismus auf bzw. entlang der Kaltseite 33 eines jeweiligen Hitzeschildelements 26 geleitet wird. Hierbei wird das Prinzip der sehr vorteilhaften geschlossenen Luftkühlung angewendet. Nach Abschluss der Kühlaufgäbe an den Hitzeschildelementen 26 wird die erwärmte Luft vollständig zur Verbrennung im Brenner 10 genutzt und die mitgeführte Wärme ebenfalls rückgeführt; die geschlossene Luftkühlung er- möglicht somit höhere Leistungen/Wirkungsgrade sowie niedrigere NOx-Emissionen als z.B. die offene Luftkühlung. Bei der offenen Luftkühlung wird die „kalte* Kühlluft dem Heizgas- strom stromab der Verbrennung zugemischt, was zu einer niedrigeren Gasturbinen-Effizienz und höheren Schadstoffwerten führt.
Für einen sowohl temperaturbeständigen als auch schwingungs- resistenten Aufbau der als Ringbrennkammer ausgestalteten Brennkammer 4 ist eine Brennkammerauskleidung mit einer Anzahl von temperaturfesten und gemäß der Erfindung formversteiften Hitzeschildelementen 26 vorgesehen. Auf diese Weise ist eine vollflächige weitgehend leckagefreie Brennkammeraus- kleidung in dem Ringraum gebildet, ein sogenannter Brennkammerliner.
Das Schwingungsverhalten des Hitzeschildelements 26 ist hier- bei durch eine gezielte geometrische Konturgebung günstig be- einflusst, so dass die Eigenschwingungsmoden des Hitzeschildelements 26 gegenüber der Anregungsfrequenz einer Verbrennungsschwingung erhöht ist. Resonanzeffekte durch positive Rückkopplung können somit vermieden werden. Zur Illustration zeigt Fig. 3 in vereinfachter perspektivischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines Hitzeschildelements 26 sowie Fig. 4 eine etwas vergrößerte Ansicht der Stirnseitenfläche des in Figur 3 dargestellten Hitzeschildelements 26. Das Hitzeschildelement 26 erstreckt sich entlang einer Längsachse 43 und einer senkrecht zur Längsachse 43 verlaufenden Querachse 45. Das Hitzeschildelement 26 umfasst eine Wand 47, die eine Heißseite 35 mit einer von dem heißen Arbeitsmedium M beaufschlagbaren Heißseitenoberfläche 55 aufweist. Der Heißseite 35 der Wand 47 gegenüberliegend ist eine Kaltseite 33 vorgesehen. Die Wand 47 weist zwei Wandabschnitte 47A, 47B auf, wobei ein erster Wandabschnitt 47A einem zweiten Wandabschnitt 47B entlang der Längsachse 43 in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M vorgeordnet ist. Weiterhin ist der zweite Wandabschnitt 47B gegenüber dem ersten Wandabschnitt 47A in Richtung der Heißseite 35 geneigt, so dass der zweite
Wandabschnitt 47B einen Neigungswinkel mit der Längsachse 43 bildet. Die Neigung ist dabei so eingestellt, dass eine kon- struktive Anpassung zur Auskleidung einer Brennkammerwand 24 (vgl. Figur 2) erreicht ist. Auf der Heißseitenoberfläche 55 sind im ersten Wandabschnitt 47A Oberflächenbereiche 57A, 57B gebildet. Die Oberflächenbereiche 57A, 57B weisen jeweils entlang der Längsachse 43 und entlang der Querachse 45 eine nicht-planare, das heißt gekrümmte Oberflächenkontur auf. Der Oberflächenbereich 57A ist dabei in Richtung der Querachse 45 konkav gekrümmt und in Richtung der Längsachse 45 konvex gekrümmt, so dass im Oberflächenbereich 57A eine Sattelfläche 59 mit einem Sattelpunkt Ps gebildet ist. Der zweite Oberflächenbereich 57B weist eine sphärisch Oberflächenkontur auf und ist entlang der Längsachse 43 in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M, z.B. des heißen Verbrennungsgases, dem Oberflächenbereich 57A nachgeordnet, wobei der Oberflächenbe- reich 57A in den zweiten Oberflächenbereich 57B über einen Übergangsbereich 61 übergeht.
Durch die Formgebung durch Oberflächenkonturierung in den O- berflächenbereich 57A, 57B des ersten Wandabschnitts 47A ist eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Steifigkeit des Hitzeschildelements 26 erreicht. Dadurch werden die Eigenschwingungsmoden des Hitzeschildelements 26 gegenüber der Anregungsfrequenz einer Verbrennungsschwingung gezielt beeinflusst. Die Erhöhung der Steifigkeit des Hitzeschildelements 26 erfolgt durch Formversteifung und führt unmittelbar zu einer Erhöhung der Eigenmode gegenüber der maßgeblichen Anregungsfrequenz einer VerbrennungsSchwingung. Aufgrund dieser Erhöhung der Steifigkeit durch geometrische Ausgestaltung der Heißseitenoberfläche bei der Erfin- düng ist das Hitzeschildelement 26 den konventionellen plana- ren Hitzeschildelementen deutlich überlegen. Dabei ist eine zweidimensionale gekrümmte Oberflächenkontur, d.h. sowohl entlang der Längsachse 43 als auch entlang der Querachse 45 dem Oberflächenbereich 57A, 57B aufgeprägt. Eine gekrümmte Oberflächenkontur kann dabei auch auf der Kaltseite 33 oder auf den Oberflächen im zweiten Wandabschnitt47B aufgeprägt sein, wo dies zu einer weiteren Verbesserung des Schwingungs- Verhaltens im Hinblick auf eine geringe Anfälligkeit gegenüber Resonanzanregung durch übliche Verbrennungsschwingungs- frequenzen führt. Es hat sich allerdings überraschenderweise gezeigt, dass bereits eine ausreichende Formversteifung durch eine zweidimensionale Oberflächenkonturierung der Heißseitenoberfläche 55 im ersten Wandabschnitt gute Ergebnisse liefert. So weist ein herkömmliches - im Wesentlichen planares - Hitzeschildelement eine typische Eigenfrequenz bei z.B. 380 Hz auf, wohingegen durch die Konturgebung gemäß der Erfindung bei ansonsten gleichen Abmessungen eine Erhöhung der Eigenfrequenz auf 440 Hz erreicht werden konnte. Bereits konkave und/oder konvexe Oberflächenkonturen mit nur geringen Krümmungsradien bewirken eine Erhöhung der Steifigkeit des Hitzeschi1delements 26.
Die Ausgestaltung gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 3 mit einer Kombination von Sattelflächenkontur im Oberflächenbereich 57A und sphärisch-konkaver Oberflächenkontur im Oberflächenbereich 57B erweist sich als besonders vorteilhaft. Durch diese Ausformung der Heißseitenoberfläche 45 ist in
Richtung der Längsachse linear betrachtet eine S-förmige Kontur im ersten Wandabschnitt 47A erreicht, wohingegen der zweite Wandabschnitt 47B weitgehend planar ausgestaltet ist. Hierdurch wird beim Einsatz des Hitzeschildelements 26 in ei- ner Brennkammer 4 eine günstige Strömungsführung des Arbeitsmediums M erzielt. Insbesondere bei einer Ringbrennkammer einer Gasturbine wird - wie in Figur 2 gezeigt - eine besonders gleichmäßige und strömungsverlustarme Umlenkung des heißen Arbeitsmediums M mit nachfolgender Einströmung in die Turbi- nenbeschaufelung erreicht. Durch die S-Form ist überdies eine direkte Flammeneinwirkung auf die Heißseitenoberfläche 55 vermieden. Ferner wird durch diese Oberflächenkontur ein verbessertes Überströmen des Arbeitsmediums M entlang der Heißseitenoberfläche 55 von dem ersten Wandabschnitt 47A zu dem zweiten Wandabschnitt 47B bewirkt. Um das Hitzeschildelement 26 besonders beständig gegenüber der Beaufschlagung mit heißem Arbeitsmedium M auszugestalten, ist auf dessen Heißseite 35 eine hitzebeständige Schutzschicht 31 aufgebracht, z.B. eine keramische hochtemperatur- resistente Wärmedämmschicht. Zu Kühlungszwecken ist auf der Kaltseite 33 eine Kühloberfläche 53 gebildet, die mit einem Kühlmittel K, z.B. Kühlluft, beaufschlagt wird. Somit ist beim Einsatz des Hitzeschildelements 26 zur Auskleidung einer Brennkammer 4 sowohl der Einschluss und die Strömungsführung des heißen Arbeitsmediums M als auch der Schutz anderer, möglicherweise weniger hitzebeständiger Bauteile oder Komponenten, wie z.B. der Brennkammerwand 24, vor Überhitzung oder thermischer Zerstörung gewährleistet
Mit dem Hitzeschildelement 26 der Erfindung ist es daher ein thermisch hochbelastbares und gut kühlbares Bauteil angegeben, mit dem auf einfache Weise eine flächige Auskleidung, insbesondere eine vollflächige Brennkammerauskleidung, realisierbar ist, die durch die Formversteifung besonders wenig anfällig gegenüber Verbrennungsschwingungen ist.
Um eine Brennkammerauskleidung einer Ringbrennkammer mit Hitzeschildelementen 26 zu Veranschaulichen, zeigen Figur 5 und Figur 6 jeweils einen Vertikalschnitt durch die obere Halb- schale einer Ringbrennkammer im Bereich der Eintrittsmündung, d.h. z.B. in Anlehnung an Figur 2 brennerseitig in Richtung der Brennerachse 37 betrachtet. Die Hitzeschildelemente 26 sind innerhalb des Brennkammergehäuses 29 über den vollen Umfang um die Mittelachse 9 angeordnet, so dass eine vollflä- chige Brennkammerauskleidung erreicht ist. Dabei verbleibt ein Zwischenraum 27 zwischen der Kaltseite 33 der Brennkammerauskleidung und der Brennkammerwand 24, der zu Kühlungszwecken genutzt wird. Die Heißseitenoberfläche 55 der Hitzeschi1delemente 26 weist einen jeweiligen Oberflächenbereich 57A auf, in dem eine gekrümmte Oberflächenkontur aufgeprägt ist. In Figur 5 ist der Oberflächenbereich 57A vom Innenraum der Brennkammer aus betrachtet konkav ausgestaltet, während in Figur 6 eine konvexe Krümmung im Oberflächenbereich 57A vorliegt. In den Beispielen der Figuren 5 und 6 ist die Brennkammerauskleidung jeweils mit im Wesentlichen baugleichen Hitzeschildelementen realisiert, was Herstellungstech- nisch besonders vorteilhaft ist.
Vorteilhafterweise kann bei einer Auskleidung der Brennkammer 4 mit Hitzeschildelementen 26 eine minimale Eigenfrequenz vorgegeben werden, die von einem jeweiligen Hitzeschildele- ment 26 nicht unterschritten werden soll. Dann können die Abmessungen des Hitzeschildelementes 26 der Erfindung gegenüber entsprechenden Hitzeschildelementen ohne die zweidimensionale Konturgebung vergrößert werden ohne die Eigenmode nennenswert zu verändern. Damit steht für die konstruktive Auslegung der Brennkammer 4 für die Dimensionierung der Hitzeschildelemente 26 ein größerer Bereich zur Verfügung. Vor allem genügt bei einer Brennkammerauskleidung aufgrund der größeren im Hinblick auf Schwingungsanregung tolerierbaren Abmessungen eine deutlich verringerte Anzahl von Hitzeschildelementen 26, um eine vollflächige Auskleidung zu erreichen. Somit ist ein Vorteil in der Teilezahl und damit ein Kostenvorteil erreicht. In den gezeigten Ausführungsbeispielen der Figuren 5 und 6 genügen z.B. bereits 12 kreissegmentförmig angeordneten Hitzeschildelemente 26, um eine vollflächige Brennkammeraus- kleidung auf der Außenschale der Ringbrennkammer, einen Brennkammerliner, zu realisieren. Aufgrund der geringeren Teilezahl ist auch die Anzahl der im Allgemeinen toleranzbehaftete Verbindungsfugen zwischen den Hitzeschildelementen 26 entsprechend verringert, so dass auch Leckageverluste verrin- gert sind.

Claims

Patentansprüche
1. Hitzeschildelement (26), das eine Längsachse (43) und eine Querachse (45) aufweist, umfassend a) eine Wand (47) mit einer Heißseite (35), die eine mit einem heißen Medium (M) beaufschlagbare Heißseitenoberfläche (55) aufweist, und mit einer der Heißseite (35) gegenüberliegende Kaltseite (33) , b) einen ersten Wandabschnitt (47A) und einen entlang der Längsachse (43) an den ersten Wandabschnitt (47A) angrenzenden zweiten Wandabschnitt (47B) , wobei zumindest im ersten Wandabschnitt (47A) die Heißseitenoberfläche (55) einen Oberflächenbereich (57A, 57B) mit entlang der Längsachse (43) und der Querachse (45) gekrümmter Oberflächenkontur aufweist.
2. Hitzeschildelement (26) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der zweite Wandabschnitt (47B) gegenüber dem ersten Wandabschnitt (47A) in Richtung der Heißseite (35) geneigt ist.
3. Hitzeschildelement (26) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Oberflächenbereich (57A, 57B) eine lokal konvexe und/oder lokal konkave Oberflächenkontur aufweist.
4. Hitzeschildelement (26) nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Oberflächenbereich (57A) in Form einer Sattelfläche (59) mit ei- nem Sattelpunkt (Ps) ausgestaltet ist.
5. Hitzeschildelement (26) nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Sattelfläche (59) in Richtung der Längsachse (43) konvex und in Richtung der Querachse (45) konkav gekrümmt ist.
6. Hitzeschildelement (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass entlang der Längsachse (43) dem Oberflächenbereich (57A) ein zweiter Oberflächenbereich (57B) mit gekrümmter Oberflächenkontur nachgeordnet ist, wobei der Oberflächenbereich (57A) über einen Übergangsbereich (61) in den zweiten Oberflächenbereich (57B) übergeht.
7. Hitzeschildelement (26) nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der zweite Oberflächenbereich (57B) eine sphärische Oberflächenkontur aufweist.
8. Hitzeschildelement (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine hitzebeständige Schutzschicht (31), insbesondere eine keramische Wärmedämmschicht, auf der Heißseite (35) .
9. Hitzeschildelement (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t du r c h eine mit einem Kühlmittel (K) beaufschlagbare Kühloberfläche (53) auf der Kaltseite (33) .
10. Brennkammer (4) mit einer Brennkammerauskleidung umfassend Hitzeschildelemente (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche .
11. Brennkammer (4) nach Anspruch 10 g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Ausgestaltung als Ringbrennkammer.
12. Gasturbine (1) mit einer Brennkammer (4) nach Anspruch 10 oder 11.
PCT/EP2003/014008 2003-01-27 2003-12-10 Hitzeschildelement, brennkammer sowie gasturbine Ceased WO2004068035A2 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AU2003296634A AU2003296634A1 (en) 2003-01-27 2003-12-10 Heat shield element, combustion chamber and gas turbine
DE50310791T DE50310791D1 (de) 2003-01-27 2003-12-10 Hitzeschildelement, brennkammer sowie gasturbine
EP03815543A EP1588102B1 (de) 2003-01-27 2003-12-10 Hitzeschildelement, brennkammer sowie gasturbine

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP03001727A EP1441180A1 (de) 2003-01-27 2003-01-27 Hitzeschildelement, Brennkammer sowie Gasturbine
EP03001727.1 2003-01-27

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2004068035A2 true WO2004068035A2 (de) 2004-08-12
WO2004068035A3 WO2004068035A3 (de) 2004-09-23

Family

ID=32524211

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2003/014008 Ceased WO2004068035A2 (de) 2003-01-27 2003-12-10 Hitzeschildelement, brennkammer sowie gasturbine

Country Status (5)

Country Link
EP (2) EP1441180A1 (de)
AU (1) AU2003296634A1 (de)
DE (1) DE50310791D1 (de)
ES (1) ES2314294T3 (de)
WO (1) WO2004068035A2 (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10465907B2 (en) 2015-09-09 2019-11-05 General Electric Company System and method having annular flow path architecture
CN112832928A (zh) * 2021-03-05 2021-05-25 中国科学院力学研究所 一种用于火箭发动机的等内壁强度的冷却结构设计方法
CN112832929A (zh) * 2021-03-05 2021-05-25 中国科学院力学研究所 一种用于火箭发动机的等内壁面温度的冷却结构设计方法

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2929689B1 (fr) * 2008-04-03 2013-04-12 Snecma Propulsion Solide Chambre de combustion de turbine a gaz a parois interne et externe sectorisees
DE102015215207A1 (de) * 2015-08-10 2017-02-16 Siemens Aktiengesellschaft Brennkammer für eine Gasturbine und Hitzeschildelement zum Auskleiden einer derartigen Brennkammer
US10598380B2 (en) 2017-09-21 2020-03-24 General Electric Company Canted combustor for gas turbine engine
CN119129360A (zh) * 2024-11-12 2024-12-13 西安现代控制技术研究所 满足过载烧蚀的大口径发动机绝热补强方法及结构

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2794319A (en) * 1953-03-02 1957-06-04 Westinghouse Electric Corp Afterburner shell construction
DE1000188C2 (de) * 1955-06-16 1957-06-13 Gen Electric Vorrichtung zur Verhinderung des Heulens an einem Strahltriebwerk mit einem Brenner im Ausstroemrohr
US2938333A (en) * 1957-03-18 1960-05-31 Gen Motors Corp Combustion chamber liner construction
US3918255A (en) * 1973-07-06 1975-11-11 Westinghouse Electric Corp Ceramic-lined combustion chamber and means for support of a liner with combustion air penetrations
FR2716933B1 (fr) * 1994-03-03 1996-04-05 Snecma Elément de chemise de protection thermique pour turbomachine et ses procédés de fabrication.
GB2361302A (en) * 2000-04-13 2001-10-17 Rolls Royce Plc Discharge nozzle for a gas turbine engine combustion chamber
DE60135436D1 (de) * 2001-01-09 2008-10-02 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Gasturbinenbrennkammer
EP1381811A1 (de) * 2001-04-27 2004-01-21 Siemens Aktiengesellschaft Brennkammer, insbesondere einer gasturbine

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10465907B2 (en) 2015-09-09 2019-11-05 General Electric Company System and method having annular flow path architecture
CN112832928A (zh) * 2021-03-05 2021-05-25 中国科学院力学研究所 一种用于火箭发动机的等内壁强度的冷却结构设计方法
CN112832929A (zh) * 2021-03-05 2021-05-25 中国科学院力学研究所 一种用于火箭发动机的等内壁面温度的冷却结构设计方法

Also Published As

Publication number Publication date
WO2004068035A3 (de) 2004-09-23
EP1441180A1 (de) 2004-07-28
AU2003296634A8 (en) 2004-08-23
EP1588102B1 (de) 2008-11-12
AU2003296634A1 (en) 2004-08-23
ES2314294T3 (es) 2009-03-16
DE50310791D1 (de) 2008-12-24
EP1588102A2 (de) 2005-10-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1636526B1 (de) Brennkammer
EP0244693B1 (de) Heissgasüberhitzungsschutzeinrichtung für Gasturbinentriebwerke
EP1443275B1 (de) Brennkammer
EP2808611B1 (de) Injektor zum Einbringen eines Brennstoff-Luft-Gemisches in eine Brennkammer
WO2003042597A1 (de) Ringbrennkammer für eine gasturbine
EP2342427B1 (de) Axial segmentierter leitschaufelträger für eine gasturbine
WO2014191495A1 (de) Gasturbinen-ringbrennkammer mit tangentialeindüsung als späte mager-einspritzung
WO2001009553A1 (de) Prallkühlvorrichtung
EP1588102B1 (de) Hitzeschildelement, brennkammer sowie gasturbine
WO2001065073A1 (de) Turbinenanlage
WO2004109187A1 (de) Hitzeschildelement
EP2347100B1 (de) Gasturbine mit kühleinsatz
EP1724526A1 (de) Brennkammerschale, Gasturbinenanlage und Verfahren zum An- oder Abfahren einer Gasturbinenanlage
EP1284391A1 (de) Brennkammeranordnung für Gasturbinen
EP1537363A1 (de) Gasturbine
EP1429077B1 (de) Gasturbine
EP2024684B1 (de) Gasturbine mit gepanzerten maschinenkomponenten
EP2808610A1 (de) Gasturbinen-Brennkammer mit Tangentialeindüsung als späte Mager-Einspritzung
EP1731715A1 (de) Übergangsbereich zwischen einer Brennkammer und einer Turbineneinheit
EP2270397A1 (de) Gasturbinenbrennkammer und Gasturbine
EP2808612A1 (de) Gasturbinen-Brennkammer mit Tangentialeindüsung als späte Mager-Einspritzung
EP1284392A1 (de) Brennkammeranordnung
EP2184449A1 (de) Leitschaufelträger, und Gasturbine und Gas- bzw. Dampfturbinenanlage mit solchem Leitschaufelträger
EP1460339A1 (de) Gasturbine
EP1460340A1 (de) Gasturbine

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BW BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE EG ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NI NO NZ OM PG PH PL PT RO RU SC SD SE SG SK SL SY TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): BW GH GM KE LS MW MZ SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LU MC NL PT RO SE SI SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2003815543

Country of ref document: EP

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 2003815543

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Country of ref document: JP