Hitzeschildelement und Verfahren zu seiner Herstellung Die Erfindung betrifft ein Hitzeschildelement, insbesondere zur Auskleidung einer Brennkammerwand mit integrierten Kühl- luftkanälen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Im Hinblick auf eine stetige Erhöhung der Wirkungsgrade von Gasturbinen wird unter anderem versucht, eine möglichst hohe Temperatur des Heißgases und ggf. auch einen erhöhten Massen ^¬ strom zu erreichen und gleichzeitig Luft für die Kühlung der mit diesem Heißgas beaufschlagten Bauteile einzusparen. D.h., Bauteile, wie beispielsweise Hitzeschilde in den Brennkam- mern, sollen bei geringerem Verbrauch von Kühlluft höheren Temperaturen standhalten können. Erschwerend kommt hinzu, dass Rohlinge für metallische Hitzeschildelemente, die typi ^¬ scherweise mittels Gussverfahren hergestellt werden, aufgrund der Vielfalt an verschieden geformten Hitzeschildelemente für eine Ringbrennkammer sowie hoher Anforderungen an die Form oft entweder verhältnismäßig teuer sind oder hinsichtlich der Qualität nicht den Anforderungen genügen.

Die meisten bestehenden Kühlkonzepte basieren auf einer

Prallkühlung der zu kühlenden Wand, was aber weder im Hinblick auf den Kühlluftverbrauch noch auf die erzielbare Wirkung ein Optimum darstellt. Prallkühlung wirkt im Wesentlichen lokal und die Kühlung der mit Heißgas beaufschlagten Teile erfolgt erst auf deren Rückseite.

Problematisch hinsichtlich der Kühlung ist insbesondere der Randbereich zwischen zwei Hitzeschildelemente, wo die Gefahr des Heißgaseinzugs hinter das Hitzeschild besteht. Hierzu sind aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der DE 10 2012 204 103 AI, Hitzeschildelemente bekannt, welche an einem umlaufenden Rand eine Mehrzahl von Durchgangsbohrungen aufweisen, durch die Kühlluft in den Spalt zwischen zwei Hitze ^¬ schildelemente geblasen werden kann. Wenngleich mit vorheriger Ausführung ein Heißgaseinzug weitgehend vermieden werden kann, so besteht unvermindert die Forderung die Kühlung des Hitzeschildelements bei verminder- tem Kühlluftverbrauch zu verbessern.

Hierzu schlägt die WO 2006/064038 AI ein Hitzeschildelement vor, welches innerhalb dessen Wandung Kühlluftkanäle auf ^¬ weist. Dieses ermöglicht eine nahezu optimale Kühlung des Hitzeschildelements bei geringem Kühlluftverbrauch. Die Kühlung findet in den Kühlkanälen statt und bewirkt eine Tempe ^¬ raturverringerung in der Wand des zu kühlenden Hitzeschildelements selbst. Jedoch hat es sich als nachteilig herausgestellt, dass der Randbereich des Hitzeschildelements unzureichend durch die inneren Kühlluftkanäle gekühlt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Hitzeschildelement der ein- gangs genannten Art bereitzustellen, das einen möglichst geringen Verbrauch an Kühlluft bei vorteilhafter Kühlung desselben ermöglicht und das zugleich möglichst einfach und kos ^¬ tengünstig herzustellen und zu montieren ist. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur

Herstellung eines Hitzeschildelements nach der Erfindung anzugeben .

Das gattungsgemäße Hitzeschildelement ist bestimmt zur Ver- wendung bei einer Brennkammer, wobei es sich insbesondere um die Brennkammer bei einer Gasturbine handelt. Hierbei umfasst das Hitzeschildelement zunächst einmal eine Wand, welche eine mit einem heißen Medium beaufschlagbare Heißseite und eine der Heißseite gegenüberliegende Kaltseite aufweist. Umlaufend um die Wand befindet sich ein Rand, welcher sich von der

Heißseite bis über die über die Ebene der Kaltseite hinaus erstreckt. Dabei weist der Rand eine an die Kaltseite angren ^¬ zende Innenseite und eine gegenüberliegende an die Heißseite angrenzende Außenseite auf. Im Wesentlichen in der Mitte der Wand ist eine Befestigungsvorrichtung angeordnet, welche sich von der Wand von der Heißseite wegweisend über die Kaltseite hinaus erstreckt. Hierbei weist die Befestigungsvorrichtung eine Durchgangsöffnung auf, so dass an der Befestigungsvorrichtung bei Durchgriff durch die Durchgangsöffnung ein Befestigungsmittel angebracht werden kann.

Zur Verbesserung der Kühlung eines gattungsgemäßen Hitze- schildelements über dessen Fläche sowie im Randbereich werden erfindungsgemäß eine Mehrzahl Kühlkanäle in das Hitzeschild ^¬ element eingebracht, welche die Wand des Hitzeschildelements vom der Befestigungsvorrichtung bis zum Rand durchziehen. Hierbei ist vorgesehen, dass bei der Befestigungsvorrichtung Kühllufteintritte in die Kühlluftkanäle angeordnet sind, wo ^¬ bei Kühlluftaustritte aus den Kühlluftkanälen im Bereich des Randes angeordnet werden.

In einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform werden ers- te Kühlluftaustritte auf der Außenseite des Randes angeord ^¬ net, so dass ein Austritt der Kühlluft in den Spalt zwischen benachbarten Hitzeschildelementen erfolgt. In dieser Konfiguration strömt das Kühlmittel durch alle Teile des Hitze ^¬ schildelements in der Reihenfolge Befestigungselement, Wand, Rand und kühlt somit in allen Bereichen, bevor die Kühlluft am Rand in den Spalt zwischen zwei Hitzeschildelementen in die Brennkammer abgegeben wird und sperrt vorteilhaft den Spalt gegen Einzug von Heißgas aus der Brennkammer. In einer zweiten alternativen oder ergänzenden erfindungsgemäßen Ausführungsform werden dritte Kühlluftaustritte auf der Heißseite der Wand im Bereich des Randes angeordnet, so dass ein Austritt der Kühlluft unmittelbar benachbart zum Spalt in die Brennkammer hinein erfolgt. Hiermit wird eine zusätzliche Filmkühlung des Hitzeschildelements ermöglicht. Die heiße Seite des Hitzeschildelements kann damit homogen auf einer konstanten Temperatur gehalten werden, da sich eine schützen- de Grenzschicht zwischen den heißen Brennkammergasen und dem Hitzeschildelement ausbildet.

Bei der bekannten Ausführungsform mit integrierten Kühlluftkanälen führt die Rückführung des Kühlluftstroms auf die Un ^¬ terseite der Hitzeschildelemente dazu, dass nun der aufge ^¬ heizte Luftstrom abzuführen ist, was wiederum ein Folgeproblem hin sichtlich der Kühlluft verursacht. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der ersten und/oder dritten Kühlluftaustritte am Rand des Hitzeschildelements mit einem Ausströ ^¬ men der aufgeheizten Kühlluft in den Spalt und/oder in die Brennkammer hinein wird die Wärme vom Hitzeschildelement ab ^¬ transportiert, ohne dass die Wärme das Innere, d.h. die Kalt seite, des Hitzeschildelements erreicht. Mit derselben Luft ^¬ menge ist also eine weitere Verringerung der Temperatur im Innenraum des Hitzeschildelements erreichbar (bzw. dieselbe Temperatur mit weniger Kühlluft) . Eine Temperaturverringerun wirkt sich positiv auf weitere Bauteile des Hitzeschildele ^¬ ments aus, die weniger thermisch belastet werden.

Vorzugsweise sind Kühllufteintritte auf einer Außenseite der Befestigungsvorrichtung vorgesehen. Die Befestigungsvorrichtung ist zentral auf der Wand des Hitzeschildelements ange ^¬ ordnet und ist daher der ideale Ort für die Einspeisung der Kühlluft in die Kühlluftkanäle.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind zweite Kühlluftaustritte auf der Innenseite der Befestigungsvorrichtung vorgesehen. Damit kann die Kühlfunktion auf das Befestigungsmittel des Hitzeschildelements ausgedehnt werden. Typischerweise kommen zur Befestigung von Hitzeschildelementen innengekühlte Befestigungsschrauben zum Einsatz. Erfolgt nun eine Kühlung der Befestigungsvorrichtung selbst, können einfachere Befestigungsschrauben ohne Innenkühlung verwendet werden, die entsprechend kostengünstiger und aufgrund des einfacheren De ^¬ signs auch zuverlässiger sind. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind vierte Kühlluftaustritte auf der Heißseite im Bereich der Befesti ^¬ gungsvorrichtung vorgesehen. Hiermit wird eine zusätzliche Filmkühlung des Hitzeschildelements im Bereich der Befesti- gung ermöglicht, so dass sich eine schützende Grenzschicht zwischen den heißen Brennkammergasen und dem Befestigungsmittel ausbildet.

Es ist zunächst unerheblich, ob die zweiten Kühlluftaustritte und/oder die vierten Kühlluftaustritte von den zum Rand führenden Kühlluftkanälen versorgt werden oder weitere Kühlluftkanäle ausgehend von der Befestigungsvorrichtung zu den zweiten und/oder vierten Kühlluftaustritten führen. Es ist zweckmäßig, wenn die Durchgangsöffnung der Befesti ^¬ gungsvorrichtung eine Anlagefläche für einen Schraubenkopf aufweist, so dass die Schraube im eingebauten Zustand im Hit ^¬ zeschildelement versenkt ist, so dass sie nicht an exponier ^¬ ter Stelle mit Heißgas beaufschlagt wird.

Bevorzugt ist das Hitzeschildelement im Wesentlichen metal ^¬ lisch, d.h. es besteht im Wesentlichen aus einem Metall oder einer Metalllegierung, z.B. hochtemperaturresistente Legie ^¬ rungen auf Eisen-, Chrom-, Nickel- oder Kobaltbasis. Gegen- über Keramiken weisen Metalle eine geringere Sprödigkeit so ^¬ wie eine günstigere Wärme- und Temperaturleitfähigkeit auf.

Das Hitzeschildelement wird als Schutz und zur Kühlung einer heißgasführenden Brennkammer benutzt, vorzugsweise einer ringförmigen Brennkammer einer Gasturbine, die eine Tragstruktur aufweist, an der solche Hitzeschildelemente ange ^¬ bracht sind.

Das Hitzeschildelement ist dabei vorzugsweise mit einem Be- festigungsmittel , beispielsweise einer Schraube, an der Trag ^¬ struktur angeordnet. Im vorteilhaften Verfahren zum Herstellen eines Hitzeschildelements mit einer Wand, welche eine mit einem heißen Medium beaufschlagbare Heißseite und eine der Heißseite gegenüber ^¬ liegende Kaltseite aufweist, und mit einem an die Wand an- grenzenden, umlaufenden, sich über die Ebene der Kaltseite hinaus erstreckenden Rand mit einer Innen- und einer Außenseite und mit einer im Wesentlichen in der Mitte der Kaltseite der Wand angeordneten Befestigungsvorrichtung, welche sich im Wesentlichen senkrecht von der Wand weg erstreckt, wobei in Befestigungsvorrichtung, Wand und Rand Kühlkanäle angeord ^¬ net sind, die sich über mindestens zwei der drei erstrecken, wird ein metallischer Werkstoff mit geeigneter örtlicher Verteilung in Pulverform in Schichten auf einer Unterlage mittels Laserstrahlung umgeschmolzen, so dass sich beim Erstar- ren des geschmolzenen Pulvers jeweils eine weitere feste Schicht ausbildet.

Die Verwendung des sogenannten „Selektiven Laserschmelzens" zur vergleichsweise einfachen, aber präzisen Herstellung der Hitzeschildelemente ermöglicht das Einbringen komplexer In ^¬ nenkonturen zur verbesserten Kühlung des gesamten Bauteils mit der Folge eines geringeren Verschleißes. Die im Betrieb notwendige Kühlluftmenge und somit auch die Stickoxid- Emissionen können gesenkt werden. Auf eine aufwändige Prall- kühlung kann verzichtet werden.

Zu Beginn des Verfahrens wird in einem ersten Schritt ein dreidimensionales CAD-Modell erstellt, welches in einem zwei ^¬ ten Schritt in Schichten zerlegt wird. Die eigentliche Ferti- gung des Hitzeschildelements erfolgt in den folgenden Schrit ^¬ ten, wobei im dritten Schritt eine Pulverschicht auf eine Un ^¬ terlage aufgetragen wird, im vierten Schritt das aufgetragene Pulver durch einen Laser belichtet bzw. umgeschmolzen wird und im fünften Schritt die Unterlage um die Schichtdicke aus dem zweiten Schritt abgesenkt wird. Die dritten bis fünften

Schritte werden so oft wiederholt, bis das Hitzeschildelement vollständig hergestellt ist. Insbesondere Hitzeschildelemente mit vergleichsweise geringen Stückzahlen sind über dieses Verfahren sinnvoll herzustellen. Auch kann im Servicefall schnell auf den Bedarf reagiert wer ^¬ den, so dass Ausfallzeiten der Anlagen verringert werden.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:

Figur 1 einen Halbschnitt durch eine Gasturbine mit Brenn- kämmer,

Figur 2 eine Hitzeschildelement nach dem Stand der Technik,

Figur 3 ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes

Hitzeschildelement in erster Ausführungsform,

Figur 4 ein Ausführungsbeispiel mit einer Erweiterung der

Ausführung aus Fig. 3, Figur 5 ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes

Hitzeschildelement in zweiter Ausführungsform,

Figur 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer Erweite ^¬ rung der Ausführung aus Fig. 3,

Figur 7 einen Ausschnitt der Brennkammer mit filmgekühlten

HitzeSchildelementen .

Die Figur 1 zeigt eine Gasturbine 21, die 21 teilweise längs aufgeschnitten dargestellt ist. Die Gasturbine 21 weist einen Verdichter, eine Ringbrennkammer (20) mit einer Mehrzahl von Brennern für einen flüssigen oder gasförmigen Brennstoff, eine Turbine zum Antrieb des Verdichters und eines in FIG 1 nicht dargestellten Generators auf. Dabei ist die Brennkam- merwand mit Hitzeschildelementen 1 ausgekleidet, bzw. die Hitzeschildelemente 1 sind an einer Tragstruktur 22 an der Brennkammerwand angebracht. Im Betrieb der Gasturbine 21 wird Luft aus der Umgebung angesaugt. Im Verdichter wird die Luft verdichtet und dadurch teilweise erwärmt. Ein kleiner Teil der Luft wird dem Verdichter entnommen und als Kühlmittel den Hitzeschildelementen 1 zugeführt, der größere Teil der Luft wird den Brennern zur Verbrennung zugeführt. In der Brennkam- mer 20 wird der größere Teil der Luft aus dem Verdichter mit dem flüssigen oder gasförmigen Brennstoff zusammengebracht und verbrannt. Dabei entsteht ein Heißgas, das die Gasturbine 21 antreibt. In der Turbine erfolgt eine Entspannung und Ab ^¬ kühlung des Heißgases.

In der Figur 2 ist ein Hitzeschildelement 30 nach dem Stand der Technik schematisch dargestellt. Das Hitzeschildelement 30 hat eine Wand 2, welche 2 eine mit einem heißen Medium beaufschlagbare Heißseite 3 (in Figur 2 auf der abgewandten Seite) und eine der Heißseite 3 gegenüberliegende Kaltseite 4 aufweist, sowie einen an die Wand 2 angrenzenden, umlaufenden, sich über die Ebene der Kaltseite 4 hinaus erstreckenden Rand 5 mit einer Innen- 6 und einer Außenseite 7. Ferner ist im Wesentlichen in der Mitte der Kaltseite 4 der Wand 2 eine Befestigungsvorrichtung 8 angeordnet, welche 8 sich im Wesentlichen senkrecht von der Wand 2 weg erstreckt. Das Hitze ^¬ schildelement 30 wird durch die Befestigungsvorrichtung 8 hindurch mit einer Schraube oder einem Bolzen an der Tragstruktur 22 befestigt.

In der Figur 3 ist schematisch ein erste Ausführungsbeispiel für ein Hitzeschildelement 1 nach der ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei dem ausgehend von der Befesti ^¬ gungsvorrichtung 8 in der Wand 2 bis zum Rand 5 Kühlkanäle 9 angeordnet sind. Dabei sind Kühllufteintritte 10 auf einer

Außenseite 11 der Befestigungsvorrichtung 8 und entsprechende erste Kühlluftaustritte 12 auf der Außenseite 7 des Randes 5 vorgesehen . In der Figur 4 ist eine Ausführungsform des Hitzeschildele ^¬ mentes 1 aus Fig.l gezeigt, welches 1 weiterhin zweite Kühl- luftaustritte 13 aufweist. Zur Verbesserung der Kühlfunktion für das Befestigungsmittel (nicht gezeigt) , beispielsweise eine Schraube oder ein Bolzen, sind in diesem Beispiel auf der Innenseite 14 der Befestigungsvorrichtung 8 die zweiten Kühlluftaustritte 13 vorgesehen. Hiermit kann eine aufwändi ^¬ gere, innengekühlte Befestigungsschraube durch eine einfache Schraube zur Befestigung des Hitzeschildelements 1 an der Tragstruktur 22 ersetzt werden.

Die Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Hitze ^¬ schildelementes 1 nach der zweiten Ausführungsform der Erfin- dung, wonach dritte Kühlluftaustritte 15 auf der Heißseite 3 im Bereich des Randes 5 vorgesehen sind. Durch den Einsatz einer Filmkühlung wird die heiße Seite des Hitzeschildele ^¬ ments 1 homogen auf einer konstanten Temperatur gehalten. Es bildet sich eine schützende Grenzschicht zwischen den heißen Brennkammergasen und dem Hitzeschildelement 1 aus. Weiterhin schützt die Anordnung der dritten Kühlluftöffnungen 15 im Bereich des Randes 5 ebenso den Spalt zwischen benachbarten Hitzeschildelementen 1 vor einem Heißgaseinzug. Die Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Hitzeschildelement 1. Dieses ist zunächst analog dem Beispiel aus Fig. 3 ausgeführt und weist einen sich von der Befestigungsvorrichtung 8 über die Wand 2 bis zum Rand 5 erstreckenden Kühlluftkanal 9 aufweist. Dazu wer- den innerhalb des Hitzeschildelements im Wechsel mit den

Kühlluftkanälen 9 weitere Kühlluftkanäle 29 angeordnet, wel ^¬ che sich ebenfalls ausgehend von der Außenseite der Befesti ^¬ gungsvorrichtung 8 bis zur Wand 2 erstrecken. Dort münden die weiteren Kühlluftkanäle 29 in vierte Kühlluftaustritte 25, welche nahe der Befestigungsvorrichtung 8 auf der Heißseite 3 der Wand 2 angeordnet sind.

Die Figuren 2 bis 6 zeigen die Befestigungsvorrichtung 8, die 8 sich von der Wand 2 des Hitzeschildelements 1 über die Kaltseite 4 hinaus erstreckt und eine im Wesentlichen senk ^¬ recht zur Wand 2 orientierte Durchgangsöffnung 16 aufweist, die 16 so ausgebildet ist, dass sie 16 ein Befestigungsmittel 17 aufnehmen kann. Ferner ist in den Figuren 3 bis 6 erkenn- bar, dass die Durchgangsöffnung 16 eine Anlagefläche 18 für einen Schraubenkopf 19 aufweist.

Die Figur 7 zeigt einen Ausschnitt einer Brennkammer mit Hit- zeschildelementen 1 nach der Erfindung. Zu sehen ist insbesondere die Heißseite 3 mit den dritten Kühlluftaustritten 15 für eine Filmkühlung sowie die Befestigung der Hitzeschildelemente 1 durch Befestigungsmittel 17, beispielsweise

Schrauben .