EP1715250A1 - Heat shield element for covering the wall of a combustion chamber, combustion chamber and gas turbine - Google Patents
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- EP1715250A1 EP1715250A1 EP05008527A EP05008527A EP1715250A1 EP 1715250 A1 EP1715250 A1 EP 1715250A1 EP 05008527 A EP05008527 A EP 05008527A EP 05008527 A EP05008527 A EP 05008527A EP 1715250 A1 EP1715250 A1 EP 1715250A1
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Classifications
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
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- F23R3/007—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel constructed mainly of ceramic components
-
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- F23M2900/00—Special features of, or arrangements for combustion chambers
- F23M2900/05004—Special materials for walls or lining
Definitions
- the invention relates to a heat shield element, in particular for lining a combustion chamber wall, with a hot side which can be exposed to a hot medium, a wall side opposite the hot side and a peripheral side adjoining the hot side and the wall side.
- the invention further relates to a combustion chamber with a combustion chamber wall and a gas turbine.
- Ceramic or metallic elements are often used to line thermally highly stressed combustion chambers, such as e.g. a furnace, a hot gas duct or a combustion chamber of a gas turbine used.
- Such a lining consisting of ceramic heat shield elements is in the EP 0 419 487 B1 described.
- the heat shield elements are designed so that the occurrence of mechanical stresses under thermal stress is largely avoided.
- the heat shield elements are mechanically held on a metallic wall of the combustion chamber and touch the metallic wall directly.
- the so-called Blocking air applied to avoid excessive heating of the wall, for example as a result of direct heat transfer from the heat shield element or by introducing hot medium into the gaps formed by the adjacent heat shield elements, the space formed by the wall of the combustion chamber and the heat shield element with cooling air, the so-called Blocking air applied.
- the blocking air prevents the penetration of hot medium up to the wall and at the same time cools the wall and the heat shield element.
- the wall segment consists of a metallic support structure and a heat protection element attached to the metallic support structure.
- an elastic or plastically deformable separating layer is attached, which should accommodate and largely compensate for possible relative movements of the heat protection element and the support structure.
- Such relative movements can be caused, for example, in the combustion chamber of a gas turbine, in particular an annular combustion chamber, by different thermal expansion behavior of the materials used or by pulsations in the combustion chamber, as may occur in an irregular combustion to produce the hot working medium or by resonance effects.
- the separating layer causes the relatively inelastic heat protection element rests overall flat on the release layer and the metallic support structure, since the heat protection element partially penetrates into the release layer.
- the release layer can compensate for manufacturing due to unevenness of the support structure and / or the heat protection element, which can lead locally to an unfavorable force input compensate.
- the lining consists of wall elements of high-temperature-resistant structural ceramics, such as silicon carbide (SiC) or silicon nitride (Si 3 N 4 ).
- the wall elements are mechanically fixed by means of a central fastening bolt to a metallic support structure (wall) of the combustion chamber.
- a thick thermal insulation layer is provided, so that the wall element is spaced correspondingly from the wall of the combustion chamber.
- About three times as thick in relation to the wall element insulation layer consists of a ceramic fiber material, which is prefabricated in blocks. The dimensions and the external shape of the wall elements are adaptable to the geometry of the space to be lined.
- a heat shield element When applying the surface of a heat shield element to a hot medium, e.g. a hot gas whose temperature rises rapidly in a short time.
- a hot medium e.g. a hot gas whose temperature rises rapidly in a short time.
- the resulting relative thermal expansions lead to thermally induced stresses, which can lead to the formation of cracks in the material of the heat shield element.
- the damage effect can be further enhanced, so that the service life of the heat shield element is limited by the formation of cracks.
- the heat shield elements must therefore, especially in combustion chambers of gas turbine plants, regularly visually inspected for cracks and be diagnosed and are exchanged cyclically for operational safety reasons.
- the invention is based on the observation that, in particular, ceramic heat shield elements are often inadequately protected against the occurring thermomechanical loads, in particular as a result of thermal cycling, due to their necessary flexibility with respect to thermal expansions.
- the object of the invention is to specify a heat shield element with an increased service life, in particular with respect to thermomechanical loads. It is another object of the invention to provide a combustion chamber with a long service life and a gas turbine with a combustion chamber.
- the first object is achieved according to the invention by a heat shield element, in particular for lining a combustion chamber wall, with a hot medium exposable hot side, one of the hot side opposite wall side and adjacent to the hot side and the wall side peripheral side, wherein to increase the effective surface in a thermally loaded A number of notches in the material is introduced, which are designed such that the thermally induced stress forces in this area are reduced.
- the invention is based on the finding that, because of the material-typical thermal expansion properties and the temperature differences typically occurring during operation (ambient temperature at standstill, maximum temperature at full load), sufficient thermal mobility of heat shield elements, in particular in gas turbine combustors, must be ensured as a result of temperature-dependent expansion in no case component destructive thermal stresses due to expansion inhibition occur.
- This can be known to be achieved by lining the wall to be protected from hot gas attack with a plurality of individual heat shield elements limited in size, such as a combustor wall of a gas turbine combustor. In this case, corresponding expansion gaps are provided between the individual ceramic heat shield elements which, for safety reasons, must never be completely closed, even in hot conditions.
- the hot side has a hot side surface, with a plurality of notches extending over the hot side surface.
- crack formation and crack growth are particularly pronounced due to the high temperature of the hot medium in the region of the hot side surface. Therefore, the mechanical load capacity of the heat shield element damaging material weakening due to cracking and crack growth in areas or portions of the hot side surface is particularly serious and life-limiting.
- the cracking effects on the hot side surface therefore contribute to a considerable extent to the weakening of the mechanical load carrying capacity of the heat shield element in the application.
- the weakening of the material can assume dimensions such that the material separates out from the hot-side surface in areas of high crack density or is increasingly removed as a result of the application of the hot flowing medium. Therefore, it is particularly beneficial when the notches extend as possible over the entire hot side surface.
- the notches in their course have a curved, in particular a curved shape.
- the advantage of the curved or curved shape is that very long notches can be formed by this shape. A long run of notches, combined with a dense network of notches on the surface, leads to a particularly effective enlargement of this surface. Thus, the above advantages result, by which the formation of long thermo-voltage-induced cracks in the material can be avoided.
- notches with curved or curved shape in the material in a thermally stressed area also has other very important advantages.
- a rift occurs anyway, he will reach a notch as he grows and continue to follow the course of the score.
- the notches are preferably designed to be very long and the crack must travel a very long distance before he reached two sides of the heat shield element and the heat shield element could break into two fragments. This long distance means that the time between the occurrence of the crack and the breakage of the heat shield element also becomes larger. In this greater period of time, there is also a greater likelihood that during a regular inspection of the combustion chamber the crack will be detected and the heat shield element replaced.
- the course of the notches is circular arc and / or parabolic and / or serpentine and / or spiral. These shapes ensure a particularly long course of the notches and thereby also a significant increase in the effective surface.
- a single notch extending over the entire surface could suffice.
- the notch then begins in a central region of the hot side surface and spirals out toward the hot side edges.
- the notches are aligned with respect to the main flow direction of the hot medium so that the flow resistance at the hot side surface is reduced by the alignment of the notches.
- the notches are preferably oriented so that the hot medium does not encounter any inflection points on its way.
- the orientation of the hot side relative to the main flow direction of the hot medium does not play a major role, because the spread of the hot medium on the hot side surface is the same, regardless of which direction the hot side is flowing.
- the notches on the base have a fillet with a radius of curvature for setting a predetermined notch effect. Investigations have shown that the introduction of a fillet at the bottom achieves high stability and low notch effect. In particular, locally high thermomechanical stresses can be avoided in this way.
- the number, the spacing, the arrangement and the geometry of the notches are set so that the mechanical carrying capacity of the heat shield element is only slightly affected by the notches themselves.
- the thermal stress can be reduced as well, as is done in an analogous manner by the operational formation of one or less thermo-voltage-induced cracks.
- the cross-sectional shape of the notch can preferably be adjusted in a targeted manner so that maximum stress relief is achieved with minimal weakening of the load-carrying capacity of the heat shield element.
- This solution is advantageously used in many cases in which caused by chemical or physical effects Dehnungsgradienten from one side into the interior of a component of a material.
- notches are deliberately introduced with defined depth and geometry and defined distances to each other.
- the heat shield element has a height and the notches have a depth such that the depth of the notches is about 2% to 10%, in particular 4% of the height of the heat shield element.
- the notches can not be made arbitrarily deep because of the mechanical stability of the heat shield element and its thermal insulation effect.
- notches with a depth of typically 2% to 10%, preferably up to 4%, of the heat shield element height are sufficient.
- the notches could be brought closer together, i. with a smaller distance from each other.
- the notches have a width and the distance between two notches is 2 times to 3 times the notch width.
- the notches should be placed very close to each other in the heat shield element material, e.g. cut, etched or in a cast heat shield element, the notches may already be provided in the mold.
- the mechanical stability and the thermal insulation effect of the heat shield element must be considered again.
- a distance between the notches of 2 times to 3 times the notch width has been found to be particularly suitable.
- Another advantage is that the distance along the course of two adjacent notches is almost constant. If small and, above all, uniform distances between the individual notches are present, are also induced in this range Distributing stresses evenly reduces the likelihood of cracking.
- the heat shield element preferably consists of a ceramic material, in particular of a refractory ceramic.
- Refractory ceramic materials are particularly suitable for use as a thermal insulator at very high temperatures and temperature gradients, such as high mechanical strength, high allowable service temperature, dimensional stability, corrosion resistance, wear resistance, and low thermal conductivity, due to their material properties. in a combustion chamber.
- the object directed to a combustion chamber is achieved according to the invention by a combustion chamber with an inner combustion chamber lining which has heat shield elements according to the above statements.
- the object directed to a gas turbine is achieved by a gas turbine with such a heat shield elements having combustion chamber.
- a gas turbine plant 1 is shown schematically. It comprises a combustion chamber 3 with a fuel supply system 5 and arranged along an axis 7 air compressor 9, gas turbine 11 and electric generator 13. Ambient air L is sucked by the air compressor 9, compressed and then led to the combustion chamber 3, where they together with the fuel B is mixed and burned, whereby a hot gas M is formed.
- the combustion chamber 3 is equipped with a heat-resistant combustion chamber lining, which is formed from a number of heat shield elements 15 arranged side by side over the entire area.
- the gas turbine 11 is driven by the hot gas M, which leaves the combustion chamber 3 under high pressure.
- the hot medium M flows through the gas turbine 11 drivingly and escapes as exhaust gas A.
- the exhaust gas A is filtered in a filter system, not shown in detail in Figure 1 and released after the filtration process in the atmosphere.
- a generator 13 is coupled, which serves to generate electrical energy.
- the generator 13 is connected to an electrical network and the electrical energy generated by the generator 13 is fed into this network.
- FIG. 2 is a perspective view of a Hitzschildelement 15 is shown, which is a part of the lining of the combustion chamber 3 in FIG. 1.
- the heat shield element 15 in this embodiment is cuboid, in particular with a nearly square base.
- the heat shield element 15 has a hot side 17, a hot side 17 opposite wall side 19, which is not shown in detail in this figure, and on the hot side 17 and the wall side 19 adjacent peripheral side 21.
- the hot side 17 has a plurality of nearly equidistant notches 23.
- the notches 23 in this embodiment have a circular arc-shaped course 25 a.
- FIG. 3 shows a section through the heat shield element 15 shown in FIG. 2 along the axis SS '.
- the upper edge represents a section through the hot side 17, the lower edge through the wall side 19 and the two side edges through the peripheral side 21.
- the heat shield element 15 has a height H.
- the depth T of the notches 23 is comparatively small compared to the height H of the heat shield element 15.
- FIG. 4 shows an enlargement of the section IV in FIG. 3 with two notches 23.
- the notches 23 are introduced into the hot side surface 17 and have a depth T, so that locally the effective height H of the material of the heat shield element 15 is reduced.
- the dimension of the depth T of the notches 23 is much smaller than the height H of the heat shield member 15 in comparison.
- the notches 23 also have a fillet radius R at the bottom 27 , By means of this rounding off, locally high thermo-mechanical stresses at the bottom 27 can be avoided and thus a lower notch effect can be achieved.
- the notches 23 have a width C.
- the distance D between the two notches 23 in this embodiment is about 2.5 times the width C.
- FIGS. 5, 6, 7 and 8 show a plan view of the hot side 17 of a heat shield element 15, wherein four different embodiments of the profile 25 a, 25 b, 25 c and 25 d of the notches 23 are shown in the four figures , On the hot side surface 17 edges 23 are introduced with a curved shape.
- the notches 23 in FIG. 5 have an arcuate course 25a, in FIG. 6 a parabolic course 25b, in FIG. 7 a serpentine course 25c and in FIG. 8 a helical course.
- the curves 25a and 25b of the notches 23 in FIGS. 5 and 6 are aligned concavely with respect to the inflowing hot gases M.
- This embodiment is particularly favorable from a fluid engineering point of view, because this reduces the resistance that the hot gases on the hot side surface 17 experience.
- the hot gases M entering the notches 23 at the inflection point W are split into two streams.
- the arcuate course 25a and the parabolic curve 25b are aligned convex to the hot gases, then the hot gases M will accumulate in the inflection point W.
- Concerning the serpentine course 25c in Fig. 7, the notches 23 are at best oriented so that when the hot gases M flow into the notches 23, they do not encounter a turning point W on their way, but are redirected only left and right, as well which is shown in Fig. 7.
- a spiral course 25d as shown in FIG. 8, because of the almost symmetrical course 25d of the notches 23, it is insignificant from which direction the hot side 17 of the heat shield element 15 is flown.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Hitzeschildelement, insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammerwand, mit einer einem heißen Medium aussetzbaren Heißseite, einer der Heißseite gegenüberliegenden Wandseite und einer an die Heißseite und die Wandseite angrenzenden Umfangsseite. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkammer mit einer Brennkammerwand sowie eine Gasturbine.The invention relates to a heat shield element, in particular for lining a combustion chamber wall, with a hot side which can be exposed to a hot medium, a wall side opposite the hot side and a peripheral side adjoining the hot side and the wall side. The invention further relates to a combustion chamber with a combustion chamber wall and a gas turbine.
Keramische oder metallische Elemente werden oft zur Auskleidung von thermisch hochbelasteten Brennräumen, wie z.B. einem Brennofen, einem Heißgaskanal oder einer Brennkammer einer Gasturbine verwendet.Ceramic or metallic elements are often used to line thermally highly stressed combustion chambers, such as e.g. a furnace, a hot gas duct or a combustion chamber of a gas turbine used.
Eine solche Auskleidung bestehend aus keramischen Hitzeschildelementen ist in der
Aus der
Das Wandsegment besteht aus einer metallischen Tragstruktur und einem auf der metallischen Tragstruktur befestigten Hitzeschutzelement. Zwischen der metallischen Tragstruktur und dem Hitzeschutzelement ist eine elastische oder plastisch verformbare Trennlage angebracht, die mögliche Relativbewegungen des Hitzeschutzelements und der Tragstruktur aufnehmen und weitgehend ausgleichen soll. Solche Relativbewegungen können beispielsweise in der Brennkammer einer Gasturbine, insbesondere einer Ringbrennkammer, durch unterschiedliches Wärmedehnverhalten der verwendeten Materialien oder durch Pulsationen im Brennraum, wie sie bei einer unregelmäßigen Verbrennung zur Erzeugung des heißen Arbeitsmittels oder durch Resonanzeffekte entstehen können, hervorgerufen werden. Dabei bewirkt die Trennschicht, dass das relativ unelastische Hitzeschutzelement insgesamt flächiger auf der Trennschicht und der metallischen Tragstruktur aufliegt, da das Hitzeschutzelement teilweise in die Trennschicht eindringt. Die Trennschicht kann so fertigungsbedingt Unebenheiten an der Tragstruktur und/oder dem Hitzeschutzelement, die lokal zu einem ungünstigen Krafteintrag führen können, ausgleichen.The wall segment consists of a metallic support structure and a heat protection element attached to the metallic support structure. Between the metallic support structure and the heat protection element, an elastic or plastically deformable separating layer is attached, which should accommodate and largely compensate for possible relative movements of the heat protection element and the support structure. Such relative movements can be caused, for example, in the combustion chamber of a gas turbine, in particular an annular combustion chamber, by different thermal expansion behavior of the materials used or by pulsations in the combustion chamber, as may occur in an irregular combustion to produce the hot working medium or by resonance effects. In this case, the separating layer causes the relatively inelastic heat protection element rests overall flat on the release layer and the metallic support structure, since the heat protection element partially penetrates into the release layer. The release layer can compensate for manufacturing due to unevenness of the support structure and / or the heat protection element, which can lead locally to an unfavorable force input compensate.
Eine andere Art keramische Auskleidung für Brennräume, die sehr hohe mechanische und thermische Belastungen aufnehmen sollen, ist in der
Beim Beaufschlagen der Oberfläche eines Hitzeschildelementes mit einem heißen Medium, z.B. einem Heißgas steigt dessen Temperatur in kurzer Zeit rapide an. Die dadurch verursachten relativen Temperaturdehnungen führen zu thermisch induzierten Spannungen, welche zum Entstehen von Rissen in dem Material des Hitzeschildelementes führen können. Je nach Vorhandensein anderer Belastungen wie Schwingungen oder chemische Effekte kann die Schädigungswirkung noch zusätzlich verstärkt werden, so dass die Standzeit des Hitzeschildelementes durch die Rissbildung begrenzt ist. Die Hitzeschildelemente müssen daher, insbesondere in Brennkammern von Gasturbinenanlagen, regelmäßig visuell auf Risse untersucht und befundet werden und werden aus Betriebssicherheitsgründen zyklusgemäß ausgetauscht.When applying the surface of a heat shield element to a hot medium, e.g. a hot gas whose temperature rises rapidly in a short time. The resulting relative thermal expansions lead to thermally induced stresses, which can lead to the formation of cracks in the material of the heat shield element. Depending on the presence of other loads such as vibrations or chemical effects, the damage effect can be further enhanced, so that the service life of the heat shield element is limited by the formation of cracks. The heat shield elements must therefore, especially in combustion chambers of gas turbine plants, regularly visually inspected for cracks and be diagnosed and are exchanged cyclically for operational safety reasons.
Die Erfindung geht von der Beobachtung aus, dass insbesondere keramische Hitzeschildelemente aufgrund ihrer notwendigen Flexibilität hinsichtlich thermische Ausdehnungen häufig nur unzureichend gegenüber den auftretenden thermomechanischen Belastungen, insbesondere infolge Temperaturwechselbelastungen, gesichert sind.The invention is based on the observation that, in particular, ceramic heat shield elements are often inadequately protected against the occurring thermomechanical loads, in particular as a result of thermal cycling, due to their necessary flexibility with respect to thermal expansions.
Die Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde ein Hitzeschildelement mit einer erhöhten Standzeit, insbesondere gegenüber thermomechanischen Belastungen, anzugeben. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Brennkammer mit hohen Standzeiten sowie eine Gasturbine mit einer Brennkammer anzugeben.Accordingly, the object of the invention is to specify a heat shield element with an increased service life, in particular with respect to thermomechanical loads. It is another object of the invention to provide a combustion chamber with a long service life and a gas turbine with a combustion chamber.
Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Hitzeschildelement, insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammerwand, mit einer einem heißen Medium aussetzbaren Heißseite, einer der Heißseite gegenüberliegenden Wandseite und einer an die Heißseite und die Wandseite angrenzenden Umfangsseite, wobei zur Vergrößerung der effektiven Oberfläche in einem thermisch belasteten Bereich eine Anzahl von Kerben im Material eingebracht ist, die derart ausgestaltet sind, dass die thermischinduzierten Spannungskräfte in diesem Bereich reduziert sind.The first object is achieved according to the invention by a heat shield element, in particular for lining a combustion chamber wall, with a hot medium exposable hot side, one of the hot side opposite wall side and adjacent to the hot side and the wall side peripheral side, wherein to increase the effective surface in a thermally loaded A number of notches in the material is introduced, which are designed such that the thermally induced stress forces in this area are reduced.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass wegen der materialtypischen Wärmedehnungseigenschaften und der im Rahmen des Betriebs typischerweise auftretenden Temperaturunterschiede (Umgebungstemperatur beim Stillstand, maximale Temperatur bei Volllast) eine ausreichende Wärmebeweglichkeit von Hitzeschildelementen, insbesondere in Gasturbinenbrennkammern, infolge temperaturabhängiger Dehnung gewährleistet sein muss, damit in keinem Fall Bauteil zerstörenden Wärmespannungen durch Dehnungsbehinderung auftreten. Dies kann bekanntermaßen dadurch erreicht werden, in dem die vor Heißgasangriff zu schützende Wand durch eine Vielzahl von in ihrer Größe begrenzten einzelnen Hitzeschildelementen ausgekleidet wird, beispielsweise eine Brennkammerwand einer Gasturbinenbrennkammer. Dabei werden zwischen den einzelnen keramischen Hitzeschildelementen entsprechende Dehnspalte vorgesehen, die aus Sicherheitsgründen auch im Heißzustand auslegungsgemäß nie völlig geschlossen sein dürfen. Es muss dabei sichergestellt werden, dass in die Dehnspalte kein Heißgas eindringt, weil ansonsten die Wandstruktur übermäßig erwärmt wird. Der einfachste und sicherste Weg, um dies z.B. bei einer Gasturbinenbrennkammer zu vermeiden ist dabei die Spülung der Dehnspalte mit Luft (Sperrluft).The invention is based on the finding that, because of the material-typical thermal expansion properties and the temperature differences typically occurring during operation (ambient temperature at standstill, maximum temperature at full load), sufficient thermal mobility of heat shield elements, in particular in gas turbine combustors, must be ensured as a result of temperature-dependent expansion in no case component destructive thermal stresses due to expansion inhibition occur. This can be known to be achieved by lining the wall to be protected from hot gas attack with a plurality of individual heat shield elements limited in size, such as a combustor wall of a gas turbine combustor. In this case, corresponding expansion gaps are provided between the individual ceramic heat shield elements which, for safety reasons, must never be completely closed, even in hot conditions. It must be ensured that no hot gas penetrates into the expansion column, because otherwise the wall structure is excessively heated. The simplest and safest way to do this, e.g. to avoid in a gas turbine combustor, the flushing of the expansion gaps with air (sealing air).
Mit der Erfindung wird ein neuer Weg aufgezeigt, um die Lebensdauerbegrenzende Rissbildung, die sich beim Betrieb des Hitzeschildelementes zeigt, einzuschränken und damit die Standzeiten des Hitzeschildelementes erheblich zu erhöhen. Dies wird dadurch erreicht, dass in den zu thermospannungsinduzierter Materialrissbildung neigenden Bereich des Hitzeschildelementes gezielt Kerben im Material eingebracht sind. Entsteht ein Riss, so führt dieser zu einem totalen Spannungsabbau. Kurze thermische Risse haben keinen merklichen Einfluss auf die verbleibende Tragfähigkeit des Hitzeschildelementes gegenüber mechanischen Krafteinwirkungen. Treten jedoch Risse größer als eine kritische Länge auf, so wird die mechanische Tragfähigkeit des Hitzeschildelementes deutlich verringert und es besteht die akute Gefahr des Versagens.With the invention, a new way is shown to limit the life-limiting cracking, which manifests itself in the operation of the heat shield element, and thus significantly increase the service life of the heat shield element. This is achieved by deliberately introducing notches in the material in the area of the heat shield element that tends to cause the formation of thermal stress. If a crack occurs, this leads to a total reduction in tension. Short thermal cracks have no appreciable effect on the remaining bearing capacity of the heat shield element with respect to mechanical forces. To step However, cracks larger than a critical length, the mechanical load capacity of the heat shield element is significantly reduced and there is an acute danger of failure.
Um dies alles zu vermeiden ist eine Anzahl von Kerben in die Oberfläche des zu thermospannungsinduzierter Materialrissbildung neigenden Bereichs eingebracht. Dadurch wird die Oberfläche dieses Bereichs vergrößert und die Spannungskräfte wirken auf diese vergrößerte Oberfläche. Oberflächenspannung wird allgemein als Kraft pro Einheit Länge definiert [N/m], d.h. wenn die Fläche auf die die Kräfte wirken vergrößert ist, mit der effektiven Oberfläche wird auch die Länge der Oberfläche vergrößert, dann ist entsprechend die Spannung, die an der Oberfläche erzeugt ist, verringert. Durch diese Maßnahme ist direkt eine Lebensdauerverlängerung des Hitzeschildelementes gegeben, so dass entsprechend längere Standzeiten erzielt sind.To avoid all this, a number of notches are introduced into the surface of the region susceptible to thermal stress-induced material cracking. This increases the surface area of this area and the tension forces affect this enlarged surface. Surface tension is generally defined as force per unit length [N / m], i. if the area on which the forces act is increased, with the effective surface also the length of the surface is increased, then the tension generated on the surface is correspondingly reduced. By this measure, a lifetime extension of the heat shield element is given directly, so that correspondingly longer lifetimes are achieved.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung weist die Heißseite eine Heißseitenoberfläche auf, wobei eine Vielzahl von Kerben sich über die Heißseitenoberfläche erstreckt. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Rissausbildung und das Risswachstum aufgrund der hohen Temperatur des heißen Mediums im Bereich der Heißseitenoberfläche besonders ausgeprägt ist. Daher ist die mechanische Tragfähigkeit des Hitzeschildelementes schädigende Materialschwächung durch Rissbildung und Risswachstum in Bereichen oder Teilbereichen der Heißseitenoberfläche besonders gravierend und lebensdauerbeschränkend. Die Rissbildungseffekte auf der Heißseitenoberfläche tragen daher zu einem erheblichen Maße zu der Schwächung der mechanischen Tragfähigkeit des Hitzeschildelementes im Einsatzfall bei. Die Materialschwächung kann dabei Ausmaße annehmen, dass das Material von der Heißseitenoberfläche in Bereichen starker Rissdichte sich herauslöst bzw. in der Folge der Beaufschlagung mit dem heißen strömenden Medium zunehmend abgetragen wird. Daher ist es besonders vorteilhaft, wenn sich die Kerben möglichst über die gesamte Heißseitenoberfläche erstrecken.In a particularly advantageous embodiment, the hot side has a hot side surface, with a plurality of notches extending over the hot side surface. Studies have shown that crack formation and crack growth are particularly pronounced due to the high temperature of the hot medium in the region of the hot side surface. Therefore, the mechanical load capacity of the heat shield element damaging material weakening due to cracking and crack growth in areas or portions of the hot side surface is particularly serious and life-limiting. The cracking effects on the hot side surface therefore contribute to a considerable extent to the weakening of the mechanical load carrying capacity of the heat shield element in the application. The weakening of the material can assume dimensions such that the material separates out from the hot-side surface in areas of high crack density or is increasingly removed as a result of the application of the hot flowing medium. Therefore, it is particularly beneficial when the notches extend as possible over the entire hot side surface.
Weiterhin bevorzugt ist, dass die Kerben in ihrem Verlauf eine geschwungene, insbesondere eine gekrümmte Form aufweisen. Das bedeutet, dass die Kerben zumindest abschnittsweise gekrümmt ausgestaltet sind. Der Vorteil der geschwungenen oder gekrümmten Form ist dass durch diese Form sehr lange Kerben gebildet werden können. Ein langer Verlauf der Kerben, kombiniert mit einem dichten Netz von Kerben an der Oberfläche führt zu einer besonders effektiven Vergrößerung dieser Oberfläche. Somit ergeben sich die oben genannten Vorteile, durch die die Bildung langer thermospannungsinduzierter Risse im Material vermieden werden kann.Furthermore, it is preferred that the notches in their course have a curved, in particular a curved shape. This means that the notches are at least partially curved. The advantage of the curved or curved shape is that very long notches can be formed by this shape. A long run of notches, combined with a dense network of notches on the surface, leads to a particularly effective enlargement of this surface. Thus, the above advantages result, by which the formation of long thermo-voltage-induced cracks in the material can be avoided.
Das Einbringen einer Anzahl von Kerben mit geschwungener bzw. gekrümmter Form im Material in einem thermisch belasteten Bereich hat auch weitere sehr wichtige Vorteile. Im Falle, dass ein Riss trotzdem entsteht, wird er bei seinem Wachstum eine Kerbe erreichen und weiter dem Verlauf der Kerbe folgen. Da die Kerben vorzugsweise sehr lang ausgelegt sind wird auch der Riss eine sehr lange Strecke zurücklegen müssen bevor er zwei Seiten des Hitzeschildelementes erreicht und das Hitzeschildelement in zwei Bruchstücke zerbrechen konnte. Diese lange Strecke bedeutet dass die Zeitspanne zwischen dem Entstehen des Risses und dem Zerbrechen des Hitzeschildelementes auch größer wird. In dieser größeren Zeitspanne ist auch die Wahrscheinlichkeit höher, dass bei einer regulären Inspektion der Brennkammer der Riss entdeckt und das Hitzeschildelement ausgetauscht wird. Auch wenn das beschädigte Hitzeschildelement nicht rechtzeitig entdeckt wird und in Stücke zerbricht, erhöht sich in der größeren Zeitspanne auch die Wahrscheinlichkeit, dass weitere Risse entstehen und ihre Wege sich kreuzen. Dann zerbricht das Hitzeschildelement in mehrere kleinere Stücke. Die Erfahrung bzw. Tests haben gezeigt, dass wenn ein Hitzeschildelement in nur zwei Stücke zerbricht und sich von der Brennkammerauskleidung löst, es nur wenige Minuten dauert bis die Turbinenschaufeln derart von den harten Bruchstücken beschädigt sind, dass ein Ausfall der ganzen Gasturbinenanlage zu befürchten ist. Auf der anderen Seite wenn das Hitzeschildelement in Form von mehreren kleinen Stücken sich von der Brennkammerwand löst und in den Gasturbinenraum eintritt, werden die Turbinenschaufeln nicht so stark beeinträchtigt. Eine sofortige Zwangsunterbrechung oder Stillstand der Gasturbinenanlage ist dann Vorteilhafterweise nicht gegeben, sondern ein Abschaltprozess kann schrittweise und kontrolliert mit der Gasturbinenanlage durchgeführt werden.The introduction of a number of notches with curved or curved shape in the material in a thermally stressed area also has other very important advantages. In the event that a rift occurs anyway, he will reach a notch as he grows and continue to follow the course of the score. Since the notches are preferably designed to be very long and the crack must travel a very long distance before he reached two sides of the heat shield element and the heat shield element could break into two fragments. This long distance means that the time between the occurrence of the crack and the breakage of the heat shield element also becomes larger. In this greater period of time, there is also a greater likelihood that during a regular inspection of the combustion chamber the crack will be detected and the heat shield element replaced. Even if the damaged heat shield element is not detected in time and breaks into pieces, the likelihood of further cracks and their paths intersecting increases in the longer term. Then the heat shield element breaks into several smaller pieces. Experience has shown that when a heat shield element breaks into just two pieces and separates from the combustion liner, it only takes a few minutes takes until the turbine blades are so damaged by the hard fragments that a failure of the entire gas turbine plant is to be feared. On the other hand, when the heat shield element in the form of several small pieces separates from the combustion chamber wall and enters the gas turbine space, the turbine blades are not so severely affected. An immediate compulsory interruption or shutdown of the gas turbine plant is then advantageously not given, but a shutdown process can be performed gradually and controlled with the gas turbine plant.
Vorzugsweise ist der Verlauf der Kerben kreisbogenförmig und/oder parabelförmig und/oder serpentinenförmig und/oder spiralförmig. Diese Formen gewährleisten einen besonders langen Verlauf der Kerben und dadurch auch eine deutliche Vergrößerung der effektiven Oberfläche.Preferably, the course of the notches is circular arc and / or parabolic and / or serpentine and / or spiral. These shapes ensure a particularly long course of the notches and thereby also a significant increase in the effective surface.
Im Falle des spiralförmigen Verlaufs könnte eine einzige Kerbe, die sich über die ganze Oberfläche erstreckt genügen. Die Kerbe fängt dann in einem mittleren Bereich der Heißseitenoberfläche an und erstreckt sie spiralförmig in Richtung der Heißseitenränder.In the case of the spiral course, a single notch extending over the entire surface could suffice. The notch then begins in a central region of the hot side surface and spirals out toward the hot side edges.
Bevorzugt sind die Kerben bezogen auf die Hauptströmungsrichtung des heißen Mediums so ausgerichtet, dass der Strömungswiderstand an der Heißseitenoberfläche durch die Ausrichtung der Kerben verringert ist. Im Falle des kreisbogenförmigen oder parabelförmigen Verlaufs der Kerben bedeutet das, dass der Verlauf konkav gegenüber dem anströmenden heißen Medium ausgerichtet ist. Durch diese Ausgestaltung ist der Widerstand verringert, den das Heißmedium an der Heißseitenoberfläche erfährt, denn das heiße Medium tritt in die Kerben im Wendepunkt ein und wird gleich in 2 Ströme aufgeteilt, ohne dass sich das Heißmedium im Wendepunkt staut.Preferably, the notches are aligned with respect to the main flow direction of the hot medium so that the flow resistance at the hot side surface is reduced by the alignment of the notches. In the case of the circular-arc or parabolic course of the notches, this means that the course is aligned concavely with respect to the inflowing hot medium. By this configuration, the resistance is reduced, the hot medium experiences on the hot side surface, because the hot medium enters the notches in the inflection point and is equal to split into two streams without the hot medium accumulates in the inflection point.
Bei einem serpentinenförmigen Verlauf sind die Kerben vorzugsweise so ausgerichtet, dass das heiße Medium auf seinem Weg auf keine Wendepunkte stößt.In a serpentine course, the notches are preferably oriented so that the hot medium does not encounter any inflection points on its way.
Bei einem spiralförmigen Verlauf spielt die Ausrichtung der Heißseite gegenüber der Hauptströmungsrichtung des heißen Mediums keine große Rolle, denn die Ausbreitung des heißen Mediums auf die Heißseitenoberfläche ist gleich, unabhängig von welcher Richtung die Heißseite angeströmt wird.In a helical course, the orientation of the hot side relative to the main flow direction of the hot medium does not play a major role, because the spread of the hot medium on the hot side surface is the same, regardless of which direction the hot side is flowing.
Nähere Erläutungen zu diesem Anspruch sind anhand der Ausführungsbeispiele in Figuren 5 bis 8 gegeben.Further explanations to this claim are given based on the embodiments in Figures 5 to 8.
Weiter bevorzugt ist, dass die Kerben am Grund eine Ausrundung mit einem Rundungsradius zur Einstellung einer vorgegebenen Kerbwirkung aufweisen. Untersuchungen haben gezeigt, dass durch die Einbringung einer Ausrundung am Grund eine hohe Standfestigkeit und geringe Kerbwirkung erreicht wird. Insbesondere können hierdurch lokal hohe thermomechanische Spannungen vermieden werden.It is further preferred that the notches on the base have a fillet with a radius of curvature for setting a predetermined notch effect. Investigations have shown that the introduction of a fillet at the bottom achieves high stability and low notch effect. In particular, locally high thermomechanical stresses can be avoided in this way.
Bevorzugermaßen ist die Anzahl, der Abstand, die Anordnung und die Geometrie der Kerben so festgelegt, dass die mechanische Tragfähigkeit des Hitzeschildelementes nur unwesentlich durch die Kerben selbst beeinträchtigt ist. Durch das Einbringen mehrerer Kerben kann die thermische Spannung ebenso abgebaut werden, wie dies auch in analoger Weise durch die betriebsbedingte Ausbildung eines oder weniger thermospannungsinduzierter Risse erfolgt. Die Querschnittsform der Kerbe kann bevorzugt gezielt so eingestellt sein, dass ein maximaler Spannungsabbau bei minimaler Schwächung der Tragfähigkeit des Hitzeschildelementes erreicht ist. Diese Lösung ist dabei vorteilhafter Weise in vielen Fällen einsetzbar, bei denen durch chemische oder physikalische Effekte Dehnungsgradienten von einer Seite in das Innere eines Bauteils aus einem Material entstehen. Anstelle thermospannungsinduzierte Risse unkontrolliert entstehen und sich fortpflanzen zu lassen, sind Kerben gezielt mit definierter Tiefe und Geometrie und definierten Abständen zueinander eingebracht.Preferably, the number, the spacing, the arrangement and the geometry of the notches are set so that the mechanical carrying capacity of the heat shield element is only slightly affected by the notches themselves. By introducing a plurality of notches, the thermal stress can be reduced as well, as is done in an analogous manner by the operational formation of one or less thermo-voltage-induced cracks. The cross-sectional shape of the notch can preferably be adjusted in a targeted manner so that maximum stress relief is achieved with minimal weakening of the load-carrying capacity of the heat shield element. This solution is advantageously used in many cases in which caused by chemical or physical effects Dehnungsgradienten from one side into the interior of a component of a material. Instead of causing thermo-voltage-induced cracks in an uncontrolled manner and allowing them to be reproduced, notches are deliberately introduced with defined depth and geometry and defined distances to each other.
Vorzugsweise weist das Hitzeschildelement eine Höhe auf und die Kerben weisen eine Tiefe auf, so dass die Tiefe der Kerben etwa 2% bis 10%, insbesondere 4% der Höhe des Hitzeschildelementes beträgt. Je tiefer die Kerben sind, desto größer wird die Fläche auf die die Spannungskräfte wirken und das wird die Spannungen an der Hitzeschildelementoberfläche verringern. Die Kerben können wegen der mechanischen Stabilität des Hitzeschildelementes und seiner thermischen Isolationswirkung jedoch nicht beliebig tief ausgebildet werden. Für die Erfüllung ihrer Aufgabe sind Kerben, mit einer Tiefe die bis typischerweise 2% bis 10%, vorzugsweise bis 4% der Hitzeschildelementhöhe beträgt ausreichend. Um eine weitere Vergrößerung der Oberfläche zu erzielen könnten die Kerben näher aneinander eingebracht werden, d.h. mit geringerem Abstand voneinander.Preferably, the heat shield element has a height and the notches have a depth such that the depth of the notches is about 2% to 10%, in particular 4% of the height of the heat shield element. The deeper the notches are, the larger the area on which the tension forces will act, and that will reduce the stresses on the heat shield element surface. However, the notches can not be made arbitrarily deep because of the mechanical stability of the heat shield element and its thermal insulation effect. For the accomplishment of their task, notches with a depth of typically 2% to 10%, preferably up to 4%, of the heat shield element height are sufficient. To further increase the surface area, the notches could be brought closer together, i. with a smaller distance from each other.
Vorteilhaft dabei ist, dass die Kerben eine Breite aufweisen und der Abstand zwischen zwei Kerben das 2-fache bis 3-fache der Kerbenbreite beträgt. Um die Oberfläche so viel wie möglich zu vergrößern sollten die Kerben sehr dicht aneinander in das Hitzeschildelementmaterial eingebracht werden, z.B. eingeschnitten, eingeätzt oder bei einem gegossenen Hitzeschildelement können die Kerben schon bei der Gussform vorgesehen sein. Zugleich müssen auch die mechanische Stabilität und die thermische Isolationswirkung des Hitzeschildelementes wieder berücksichtigt werden. Dabei hat sich ein Abstand zwischen den Kerben der das 2-fache bis 3-fach der Kerbenbreite aufweist als besonders geeignet erwiesen.The advantage here is that the notches have a width and the distance between two notches is 2 times to 3 times the notch width. In order to increase the surface area as much as possible, the notches should be placed very close to each other in the heat shield element material, e.g. cut, etched or in a cast heat shield element, the notches may already be provided in the mold. At the same time, the mechanical stability and the thermal insulation effect of the heat shield element must be considered again. In this case, a distance between the notches of 2 times to 3 times the notch width has been found to be particularly suitable.
Weiterhin von Vorteil ist, dass der Abstand entlang des Verlaufs zweier benachbarten Kerben nahezu konstant ist. Wenn kleine und vor allem gleichmäßige Abstände zwischen den einzelnen Kerben vorhanden sind, sind auch in diesem Bereich induzierte Spannungen gleichmäßig verteilt und dadurch wird die Wahrscheinlichkeit einer Rissbildung verringert.Another advantage is that the distance along the course of two adjacent notches is almost constant. If small and, above all, uniform distances between the individual notches are present, are also induced in this range Distributing stresses evenly reduces the likelihood of cracking.
Weiterhin von Vorteil ist, dass die Kerben sich in ihrem Verlauf nicht kreuzen. An den Schnittstellen zweier oder mehrerer Kerben wird die gleichmäßige Verteilung der induzierten Spannungen gestört, deswegen müssen solche Schnittstellen vermieden werden.Another advantage is that the notches do not intersect in their course. At the intersections of two or more notches, the uniform distribution of the induced voltages is disturbed, so such interfaces must be avoided.
Bevorzugt besteht das Hitzeschildelement aus einem keramischen Material, insbesondere aus einer Feuerfestkeramik. Feuerfeste Keramikwerkstoffe sind aufgrund ihrer Materialeigenschaften wie hohe mechanische Festigkeit, hohe zulässige Einsatztemperatur, Formstabilität, Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und geringe Wärmeleitfähigkeit besonders geeignet für einen Einsatz als thermischer Isolator bei sehr hohen Temperaturen und Temperaturgradienten, wie z.B. in einer Brennkammer.The heat shield element preferably consists of a ceramic material, in particular of a refractory ceramic. Refractory ceramic materials are particularly suitable for use as a thermal insulator at very high temperatures and temperature gradients, such as high mechanical strength, high allowable service temperature, dimensional stability, corrosion resistance, wear resistance, and low thermal conductivity, due to their material properties. in a combustion chamber.
Die auf eine Brennkammer gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Brennkammer mit einer inneren Brennkammerauskleidung, die Hitzeschildelemente gemäß den obigen Ausführungen aufweist.The object directed to a combustion chamber is achieved according to the invention by a combustion chamber with an inner combustion chamber lining which has heat shield elements according to the above statements.
Die auf eine Gasturbine gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Gasturbine mit einer solche Hitzeschildelemente aufweisenden Brennkammer.The object directed to a gas turbine is achieved by a gas turbine with such a heat shield elements having combustion chamber.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen hierbei schematisch und teilweise vereinfacht:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung einer Gasturbinenanlage,
- Fig. 2
- in perspektivischer Ansicht ein Hitzeschildelement gemäß der Erfindung,
- Fig. 3
- einen Schnitt durch das Hitzeschildelement in Fig. 2,
- Fig. 4
- eine Vergrößerung von zwei Kerben in Fig. 3,
- Fig. 5
- eine Draufsicht auf die Heißseite eines Hitzeschildelementes mit einem kreisbogenförmigen Verlauf der Kerben,
- Fig. 6
- eine Draufsicht auf die Heißseite eines Hitzeschildelementes mit einem parabolischen Verlauf der Kerben, und
- Fig. 7
- eine Draufsicht auf die Heißseite eines Hitzeschildelementes mit einem serpentinenförmigen Verlauf der Kerben.
- Fig. 1
- a schematic representation of a gas turbine plant,
- Fig. 2
- in perspective view a heat shield element according to the invention,
- Fig. 3
- a section through the heat shield element in Fig. 2,
- Fig. 4
- an enlargement of two notches in Fig. 3,
- Fig. 5
- a top view of the hot side of a heat shield element with a circular arc of the notches,
- Fig. 6
- a plan view of the hot side of a heat shield element with a parabolic curve of the notches, and
- Fig. 7
- a plan view of the hot side of a heat shield element with a serpentine course of the notches.
In Fig. 1 ist schematisch eine Gasturbinenanlage 1 dargestellt. Sie umfasst eine Brennkammer 3 mit einem Brennstoffzufuhrsystem 5 und die entlang einer Achse 7 angeordneten Luftverdichter 9, Gasturbine 11 und elektrischen Generator 13. Umgebungsluft L wird von dem Luftverdichter 9 angesaugt, komprimiert und anschließend zur Brennkammer 3 geführt, wo sie zusammen mit dem Brennstoff B vermischt und verbrannt wird, wobei ein Heißgas M entsteht. Die Brennkammer 3 ist mit einer hitzebeständigen Brennkammerauskleidung ausgestattet, die aus einer Anzahl von flächendeckend nebeneinander angeordneten Hitzeschildelementen 15 gebildet ist. Die Gasturbine 11 wird vom Heißgas M, das die Brennkammer 3 unter hohem Druck verlässt, angetrieben. Das Heißmedium M durchströmt dabei die Gasturbine 11 antreibend und entweicht als Abgas A. Das Abgas A wird in einer in Figur 1 nicht näher dargestellten Filteranlage gefiltert und nach dem Filtrierungsprozess in die Atmosphäre freigelassen. An die Gasturbine 11 ist ein Generator 13 angekoppelt, der zur Erzeugung elektrischer Energie dient. Der Generator 13 ist mit einem elektrischen Netzwerk verbunden und die elektrische Energie, die vom Generator 13 erzeugt wird, wird in dieses Netzwerk eingespeist.In Fig. 1, a gas turbine plant 1 is shown schematically. It comprises a combustion chamber 3 with a
In Fig. 2 ist in perspektivischer Ansicht ein Hitzschildelement 15 gezeigt, der ein Teil der Auskleidung der Brennkammer 3 in Fig. 1 ist. Das Hitzeschildelement 15 in dieser Ausgestaltung ist quaderförmig, insbesondere mit einer nahezu quadratischen Grundfläche. Das Hitzeschildelement 15 weist eine Heißseite 17, eine der Heißseite 17 gegenüberliegende Wandseite 19, die in dieser Abbildung nicht näher dargestellt ist, und eine an die Heißseite 17 und die Wandseite 19 angrenzende Umfangsseite 21 auf. Die Heißseite 17 weist eine Vielzahl von nahezu äquidistanten Kerben 23 auf. Die Kerben 23 in dieser Ausführungsform weisen einen kreisbogenförmigen Verlauf 25a auf.In Fig. 2 is a perspective view of a
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch des in Fig. 2 dargestellte Hitzeschildelement 15 entlang der Achse SS'. Der obere Rand stellt einen Schnitt durch die Heißseite 17, der untere Rand durch die Wandseite 19 und die zwei Seitenränder durch die Umfangseite 21 dar. Das Hitzeschildelement 15 weist eine Höhe H auf. An der Heißseiteoberfläche 17 ist eine Vielzahl von Kerben 23 eingebracht. Die Tiefe T der Kerben 23 ist gegenüber der Höhe H des Hitzeschildelementes 15 vergleichsweise gering.FIG. 3 shows a section through the
Fig. 4 zeigt eine Vergrößerung des Ausschnitts IV in Fig. 3 mit zwei Kerben 23. Der Kerben 23 sind in der Heißseitenoberfläche 17 eingebracht und weisen eine Tiefe T auf, so dass sich lokal die effektive Höhe H des Materials des Hitzeschildelementes 15 verringert. Jedoch, wie es bereits in Fig. 3 gezeigt ist, ist das Maß der Tiefe T der Kerben 23 im Vergleich viel geringer als das Maß der Höhe H des Hitzeschildelementes 15. Die Kerben 23 weisen außerdem am Grund 27 eine Ausrundung mit einem Rundungsradius R auf. Mittels dieser Ausrundung können lokal hohe thermomechanische Spannungen am Grund 27 vermieden werden und dadurch eine geringere Kerbwirkung erreicht werden. Weiterhin weisen die Kerben 23 eine Breite C auf. Der Abstand D zwischen den zwei Kerben 23 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel etwa das 2,5-fache der Breite C.FIG. 4 shows an enlargement of the section IV in FIG. 3 with two
In Fig. 5, Fig. 6, Fig. 7 und Fig. 8 ist eine Draufsicht auf die Heißseite 17 eines Hitzeschildelementes 15 dargestellt, wobei in den vier Figuren vier verschiedene Ausführungsformen des Verlaufs 25a, 25b, 25c und 25d der Kerben 23 gezeigt sind. An der Heißseitenoberfläche 17 sind Kanten 23 mit geschwungener Form eingebracht. Die Kerben 23 in Fig. 5 weisen einen kreisbogenförmigen Verlauf 25a, in Fig. 6 einen parabolischen Verlauf 25b, in Fig. 7 einen serpentinenförmigen Verlauf 25c und in Fig. 8 einen spiralförmigen Verlauf auf. Die Verläufe 25a und 25b der Kerben 23 in Fig. 5 und Fig. 6 sind konkav gegenüber den anströmenden Heißgasen M ausgerichtet. Diese Ausgestaltung ist aus strömungstechnischer Sicht besonders günstig, denn dadurch wird der Widerstand verringert, den die Heißgase an der Heißseitenoberflache 17 erfahren. In diesem Fall werden die Heißgase M, die in die Kerben 23 im Wendepunkt W eintreten in zwei Ströme aufgeteilt. Im Gegensatz dazu wenn der kreisbogenförmige Verlauf 25a und der parabolische Verlauf 25b konvex zu den Heißgasen ausgerichtet sind, dann werden sich die Heißgase M im Wendepunkt W stauen. Was die serpentinenförmigen Verlauf 25c in Fig. 7 betrifft, sind die Kerben 23 bestenfalls so ausgerichtet, dass wenn die Heißgase M in die Kerben 23 einströmen, diese auf ihrem Weg auf keinen Wendepunkt W stoßen, sondern nur links and rechts umgeleitet werden, so wie das in Fig. 7 gezeigt ist. Im Falle von einem spiralförmigen Verlauf 25d, wie in Fig. 8 gezeigt, wegen dem nahezu symmetrischen Verlauf 25d der Kerben 23 ist es unwesentlich von welcher Richtung die Heißseite 17 des Hitzschildelementes 15 angeströmt wird.FIGS. 5, 6, 7 and 8 show a plan view of the
Claims (14)
dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergrößerung der effektiven Oberfläche in einem thermisch belasteten Bereich eine Anzahl von Kerben (23) im Material eingebracht ist, die derart ausgestaltet sind, dass die thermischinduzierten Spannungskräfte in diesem Bereich reduziert sind.Heat shield element (15), in particular for lining a combustion chamber wall, with a hot side (17) which can be exposed to a hot medium (M), a wall side (19) opposite the hot side (17) and one to the hot side (17) and the wall side (19). adjacent peripheral side (21),
characterized in that, to increase the effective surface area in a thermally stressed area, a number of notches (23) are made in the material, which are designed such that the thermally induced stress forces in this area are reduced.
dadurch gekennzeichnet, dass die Heißseite (17) eine Heißseitenoberfläche aufweist, wobei eine Vielzahl von Kerben (23) sich auf der Heißseitenoberfläche (17) erstreckt.A heat shield element (15) according to claim 1,
characterized in that the hot side (17) has a hot side surface, a plurality of notches (23) extending on the hot side surface (17).
dadurch gekennzeichnet, dass die Kerben (23) in ihrem Verlauf (25) eine geschwungene, insbesondere eine gekrümmte Form aufweisen.Heat shield element (15) according to one of the preceding claims,
characterized in that the notches (23) in their course (25) have a curved, in particular a curved shape.
dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf (25) der Kerben (23) kreisbogenförmig (25a) und/oder parabelförmig (25b) und/oder serpentinenförmig (25c) und/oder spiralförmig (25d) ist.Heat shield element (15) according to one of the preceding claims,
characterized in that the course (25) of the notches (23) is circular arc (25a) and / or parabolic (25b) and / or serpentine (25c) and / or spiral (25d).
dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf die Hauptströmungsrichtung des heißen Mediums (M) die Kerben (23) so ausgerichtet sind, dass der Strömungswiderstand an der Heißseitenoberfläche durch die Ausrichtung der Kerben (23) verringert ist.Heat shield element (15) according to one of the preceding claims,
characterized in that based on the main flow direction of the hot medium (M) the Notches (23) are aligned so that the flow resistance at the hot side surface is reduced by the alignment of the notches (23).
dadurch gekennzeichnet, dass die Kerben (23) am Grund (27) eine Ausrundung mit einem Rundungsradius (R) zur Einstellung einer vorgegebenen Kerbwirkung aufweisen.Heat shield element (15) according to one of the preceding claims,
characterized in that the notches (23) on the base (27) have a rounding with a radius of curvature (R) for setting a predetermined notch effect.
dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl, der Abstand (D), die Anordnung und die Geometrie der Kerben (23) so festgelegt sind, dass die thermische Isolationswirkung des Hitzeschildelementes (15) nur unwesentlich beeinträchtigt ist.Heat shield element (15) according to one of the preceding claims,
characterized in that the number, the distance (D), the arrangement and the geometry of the notches (23) are set so that the thermal insulation effect of the heat shield element (15) is only insignificantly impaired.
dadurch gekennzeichnet, dass das Hitzeschildelement (15) eine Höhe (H) aufweist und die Kerben (23) eine Tiefe (T) aufweisen, so dass die Tiefe (T) der Kerben (23) etwa 2% bis 10%, insbesondere 4% der Höhe (H) des Hitzeschildelementes (23) beträgt.Heat shield element (15) according to one of the preceding claims,
characterized in that the heat shield element (15) has a height (H) and the notches (23) have a depth (T) such that the depth (T) of the notches (23) is about 2% to 10%, especially 4% the height (H) of the heat shield element (23) is.
dadurch gekennzeichnet, dass die Kerben (23) eine Breite (C) aufweisen und der Abstand (D) zwischen zwei Kerben (23) das 2-fache bis 3-fache der Kerbenbreite (C) beträgt.Heat shield element (15) according to one of the preceding claims,
characterized in that the notches (23) have a width (C) and the distance (D) between two notches (23) is 2 to 3 times the notch width (C).
dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (D) entlang des Verlaufs (25) zweier benachbarter Kerben (23) nahezu konstant ist.Heat shield element (15) according to one of the preceding claims,
characterized in that the distance (D) along the course (25) of two adjacent notches (23) is almost constant.
dadurch gekennzeichnet, dass die Kerben (23) sich in ihrem Verlauf (25) nicht kreuzen.Heat shield element (15) according to one of the preceding claims,
characterized in that the notches (23) do not intersect in their course (25).
dadurch gekennzeichnet, dass dieser aus einem keramischen Material, insbesondere aus einer Feuerfestkeramik, besteht.Heat shield element (15) according to one of the preceding claims,
characterized in that it consists of a ceramic material, in particular of a refractory ceramic.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP05008527A EP1715250A1 (en) | 2005-04-19 | 2005-04-19 | Heat shield element for covering the wall of a combustion chamber, combustion chamber and gas turbine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP05008527A EP1715250A1 (en) | 2005-04-19 | 2005-04-19 | Heat shield element for covering the wall of a combustion chamber, combustion chamber and gas turbine |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EP1715250A1 true EP1715250A1 (en) | 2006-10-25 |
Family
ID=34935389
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| EP05008527A Withdrawn EP1715250A1 (en) | 2005-04-19 | 2005-04-19 | Heat shield element for covering the wall of a combustion chamber, combustion chamber and gas turbine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP1715250A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102008000010A1 (en) * | 2008-01-07 | 2009-07-09 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Plate-shaped ceramic heat radiating body of an infrared surface radiator |
Citations (4)
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| DE3015624A1 (en) * | 1979-05-01 | 1980-11-27 | Rolls Royce | PERFORATED LAYERED BODY, PARTICULARLY FOR HIGH-TEMPERATURE-LOADED PARTS OF GAS TURBINE ENGINES |
| EP0419487B1 (en) * | 1988-06-13 | 1994-11-23 | Siemens Aktiengesellschaft | Heat shield arrangement with low coolant fluid requirement |
| EP1126221A1 (en) * | 2000-02-17 | 2001-08-22 | Siemens Aktiengesellschaft | Padded refactory tile as liner for a gas turbine combustor |
| EP1247943A1 (en) * | 2001-04-04 | 2002-10-09 | Siemens Aktiengesellschaft | Coolable turbine shroud member |
-
2005
- 2005-04-19 EP EP05008527A patent/EP1715250A1/en not_active Withdrawn
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