Hitzeschildsegment für einen Stator einer Gasturbine

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Hitzeschildsegment für einen Stator einer Gasturbine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Der Turbinenrotor einer Gasturbine ist üblicherweise in radialer Richtung von einem Gehäuse umgeben, dass meist in diesem Bereich als Hitzeschild bezeichnet ist. Der Hitzeschild kann eine Anzahl von Hitzeschildsegmenten enthalten, wobei der Hitzeschild eine äußere Begrenzung einer heißen Gasströmung entlang den Turbinenlaufschaufeln bildet. Außerdem verhindert der Hitzeschild, dass heiße Verbrennungsgase in den mit Kühlluft gefüllten Hohlraum zwischen dem Hitzeschild und einem radialen äußeren Gehäuse eindringt. Der Hitzeschild kann unterschiedliche Formen haben und die Innenform des Hitzeschilds definiert den Durchflussquerschnitt des Heißluftstroms in der Turbine. Die Turbinenschaufeln des Turbinenrotors weisen üblicherweise ein umlaufendes, auf der radialen Außenseite des Turbinenrotors angeordnetes, je nach Strömungsbedingungen zylindrisch oder konisch verlaufendes Deckband auf. Das Deckband hat normalerweise auf seiner radialen Außenseite zwei sich

radial auswärts erstreckende Dichtungsrippen. Den beiden Dichtungsrippen in radialer Richtung gegenüberliegend sind am Hitzeschild jeweils Honigwabenstrukturen ortsfest verbunden, die der Abdichtung des Abstandes zwischen den Dichtungsrippen und dem Hitzeschild dienen. Die Innenform des Hitzeschilds in einem ersten mit einer Honigwabenstruktur versehenen Abschnitt verläuft parallel zur Längsachse der Turbine. Stromaufwärts des ersten flachen Abschnitts kann die Innenform des Hitzeschilds in einem zweiten Abschnitt schräg zur Längsachse der Turbine verlaufen. Da der Hitzeschild der hohen Temperatur des Heißluftstroms und dem hohen Druckverlust in Strömungsrichtung ausgesetzt ist, kann es im gekrümmten Bereich des Hitzeschilds zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt zu hohen Spannungskonzentrationen führen. Diese Spannungen können die Lebensdauer des Hitzeschilds beträchtlich verringern.

Darstellung der Erfindung

Hier setzt die Erfindung an. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hitzeschildsegment für einen Stator einer Gasturbine mit einer verbesserten Konstruktion bereitzustellen, die die genannten Probleme vermeidet, das heißt eine Konstruktion, die die Spannungen im gekrümmten Bereich des Hitzeschildsegments vermindert.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch ein Hitzeschildsegment für einen Stator einer Gasturbine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Hitzeschildsegments ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Erfindungsgemäß weist das Hitzeschildsegment in mindestens einem Bereich des Profils in Längsrichtung der Gasturbine einen gekrümmten Abschnitt auf, wobei eine radial äußere Fläche des Hitzeschildsegments im Bereich des gekrümmten Abschnitts und in einem ersten Endbereich in Umfangsrichtung der Turbine mit einer sich in Umfangsrichtung der Turbine erstreckenden Erhöhung versehen ist. Durch die Erhöhung werden die Spannungen im Hitzeschildsegment im Einsatz und im Bereich des gekrümmten Abschnitts vermindert. Dadurch wird die Lebensdauer des Hitzeschilds erheblich verlängert.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Länge der Erhöhung in Umfangsrichtung weniger als ein viertel der Gesamtlänge des Hitzeschildsegments in Umfangsrichtung. Dabei wird das Hitzeschildsegment genügend verstärkt, ohne dass eine zwischen den Endbereichen verlaufende Rippe vorgesehen werden muss, was zusätzlichen Metallverbrauch vermeidet, so dass das Gewicht des Hitzeschilds gering gehalten werden kann.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.

Es zeigen, jeweils schematisch,

Figur 1 in perspektivischer Ansicht ein Hitzeschildsegment gemäß einer

Ausführungsform der Erfindung,

Figur 2 einen Schnitt durch das Hitzeschildsegment in Figur 1 im Bereich der Erhöhung entlang der Linie A-A,

Figur 3 einen Querschnitt durch einen Turbinenabschnitt mit einem

Hitzeschildsegment nach dem Stand der Technik,

Figur 4 in perspektivischer Ansicht ein Hitzeschildsegment nach dem Stand der Technik.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Figur 4 ist ein Hitzeschildsegment 1 nach dem Stand der Technik dargestellt. Ein Hitzeschild kann eine Anzahl von solchen Hitzeschildsegmenten 1 enthalten, die eine äußere Begrenzung einer heißen Gasströmung entlang den Turbinenlaufschaufeln 2 (vgl. z.B. Figur 3) bilden. Das Profil des Hitzeschildsegments 1 passt sich der grundsätzlich konischen Führung eines Turbinenrotors (nicht gezeigt) an, und weist einen gestuften Querschnitt auf, wie aus der Figur 3 zu erkennen ist. An der radial Außenseite des Hitzeschildsegments 1 sind Halterungselementen 3, 4 angeordnet, die zur Positionierung des Hitzeschildsegments 1 in radialer Richtung und in Umfangsrichtung dienen.

In Figur 3 ist ein Querschnitt durch einen Turbinenabschnitt mit einem Hitzeschildsegment nach dem Stand der Technik dargestellt. Die Turbinenschaufeln 2 des Turbinenrotors weisen ein umlaufendes, auf der

radialen Außenseite des Turbinenrotors angeordnetes und zylindrisch verlaufendes Deckband 5 auf. Das Deckband 5 hat auf seiner radialen Außenseite zwei sich radial auswärts erstreckende Rippen 6. Den beiden Rippen 6 in radialer Richtung gegenüberliegend sind am Hitzeschildsegment 1 jeweils Honigwabenstrukturen 7 ortsfest verbunden, die der Abdichtung des Abstandes zwischen der Rippenspitze 6 und dem Hitzeschildsegment 1 dienen. Die Innenform 8 des Hitzeschilds verläuft in einem ersten Abschnitt 9 im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Turbine. Stromaufwärts des ersten flachen Abschnitts 9 kann die Innenform 8 des Hitzeschildsegments 1 in einem zweiten Abschnitt 1 1 schräg zur Längsachse der Turbine verlaufen, wobei die Strömungsrichtung des Heißgases durch die Turbine mit Pfeil 10 bezeichnet ist. Da das Hitzeschildsegment 1 der hohen Temperatur des Heißgasstroms und dem hohen Druckverlust in Strömungsrichtung ausgesetzt ist, kann es im gekrümmten Bereich 12 des Hitzeschildsegments 1 zwischen dem ersten Abschnitt 9 und dem zweiten Abschnitt 1 1 und insbesondere in den Endbereichen 13 des Hitzeschildsegments 1 in Umfangsrichtung der Turbine zu hohen Spannungen führen, die die Lebensdauer des Hitzeschildsegments 1 beträchtlich beschränken können.

In Figur 1 ist ein Hitzeschildsegment 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Gleiche Bauteile werden mit gleichen Bezugszeichen versehen. Erfindungsgemäß ist eine radial Außenseite 15 des Hitzeschildsegments 1 im Bereich des gekrümmten Abschnitts 12 und in mindestens einem Endbereich 13 des Hitzeschildsegments 1 in Umfangsrichtung mit einer sich in Umfangsrichtung der Turbine erstreckenden Erhöhung 14 oder Ansatz versehen. Diese Erhöhung 14 oder Ansatz reduziert die Spannungskonzentration in diesem Bereich des Hitzeschildsegments 1. Eine Erhöhung oder Ansatz kann jeweils am jeweiligen Ende 13 des Hitzeschildsegments 1 vorgesehen werden.

Vorzugsweise ist die Erhöhung oder der Ansatz in Längsrichtung der Turbine an einer Stelle, an der der erste Abschnitt 9 und der zweite Abschnitt 11 sich treffen, angeordnet.

Vorzugsweise beträgt die Länge der Erhöhung 14 in Umfangsrichtung weniger als ein viertel der Gesamtlänge des Hitzeschildsegments 1 in Umfangsrichtung. Hierbei kann der zusätzliche Metallverbrauch gering gehalten werden, weil keine zwischen den Enden des Hitzeschildsegments 1 verlaufende Rippe vorgesehen werden muss. Dadurch kann das Gewicht des Hitzeschildsegments 1 gering gehalten werden.

In der bevorzugten Ausführungsform in Figur 1 ist vorzugsweise die radial äußere Fläche 15 des Hitzeschildsegments 1 mit zwei Rippen 16 versehen, die sich jeweils an den Enden des Hitzeschildsegments 1 in Umfangsrichtung der Turbine in Längsrichtung der Turbine zumindest teilweise erstrecken. Die Erhöhung 14 oder Ansatz ragt aus der jeweiligen Rippe 16 in Umfangsrichtung heraus. Hierbei kann das Profil des Hitzeschildsegments 1 in Umfangsrichtung der Turbine und im Bereich der Erhöhung 14 eine zweistufige Form aufweisen, wie aus der Figur 2 ersichtlich ist. Vorzugsweise verhält sich die Länge der Erhöhung in Umfangsrichtung der Turbine zur Breite der Erhöhung in Längsrichtung der Turbine im Verhältnis 1 :2 bis 3:1.

In einer weitern Ausführungsform (nicht gezeigt) weist das Hitzeschildsegment 1 an mindestens zwei Stellen des Hitzeschildsegmentprofils in Längsrichtung der Turbine einen gekrümmten Abschnitt auf, dass heißt, dass der Hitzeschildquerschnitt im Wesentlichen zweistufig ausgebildet ist. In diesem Fall ist die radiale Außenseite des Hitzeschildsegments jeweils in den Bereichen der gekrümmten Abschnitte und in einem ersten und/oder einem zweiten Endbereich

in Umfangsrichtung des Hitzeschildsegments jeweils mit einer sich in Umfangsrichtung der Turbine erstreckenden Erhöhung 14 versehen.

Ein Hitzeschild kann mit einer Anzahl von erfindungsgemäßen Hitzeschildsegmenten 1 ausgestattet sein, die eine äußere Begrenzung einer heißen Gasströmung entlang den Turbinenlaufschaufeln 2 (vgl. z.B. Figur 3) bilden. Die Hitzeschildsegmente 1 sind mit einer in Längsrichtung der Turbine verlaufenden Nut 17 jeweils in den Endseiten versehen, wie aus der Figur 2 ersichtlich ist. Die Nuten 17 von zwei benachbarten Hitzeschildsegmenten 1 dienen dazu, eine Dichtungsplatte (nicht gezeigt) aufzunehmen, die das Eindringen von heißen Verbrennungsgasen in den mit Kühlluft gefüllten Hohlraum 18 zwischen dem Hitzeschild und dem Turbinengehäuse 19 verhindert.

Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Insbesondere im Hinblick auf einige bevorzugte Ausführungsbeispiele entnimmt ihr der Fachmann, dass verschiedene änderungen und Modifikationen in Gestalt und Einzelheiten gemacht werden können, ohne von dem Gedanken und Umfang der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend soll die Offenbarung der vorliegenden Erfindung nicht einschränkend sein. Stattdessen soll die Offenbarung der vorliegenden Erfindung den Umfang der Erfindung veranschaulichen, der in den nachfolgenden Ansprüchen dargelegt ist.

Bezugszeichenliste

Hitzeschildsegment

Turbinenlaufschaufel

Halterungselement

Halterungselement

Deckband

Rippe

Honigwabenstruktur

Innenform erster Abschnitt

Strömungsrichtung zweiter Abschnitt gekrümmter Bereich

Endbereich

Erhöhung radiale Außenseite

Rippe

Nut

Hohlraum

Turbinengehäuse