Brennkammer mit keramischem Hitzeschild und Dichtung

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer einer Gasturbine mit einem keramischen Hitzeschild, bei der ein Spalt mittels ei ner Dichtung abgedichtet ist.

Im Stand der Technik werden verschiedene Bauarten von Brenn kammern bei Gasturbinen eingesetzt. In allen Fällen stellen die hohen Temperaturen in der Brennkammer die primäre Belas tung für die Brennkammer dar. Um möglichst hohe Temperaturen in der Brennkammer realisieren zu können, wird üblicherweise ein Hitzeschild in der Brennkammer eingesetzt. Hierzu weist die Brennkammer zunächst eine Tragstruktur auf, welche aus einem metallischen Material hergestellt ist. An der Innensei te der Tragstruktur ist der Hitzeschild angeordnet, wobei dieser in aller Regel aus einem keramischen Material besteht. Eine beispielhafte Ausführungsform hierzu ist aus der WO 2019/115129 Al bekannt. Der keramische Hitzeschild weist einerseits eine gegenüber der Tragstruktur deutlich höhere Temperaturfestigkeit auf. Anderseits dient der keramische Hitzeschild als Isolierung zwischen der Brennkammer und der Tragstruktur.

Es ist als nachteilig bekannt, dass das keramische Material des Hitzeschildes im Gegensatz zur Tragstruktur eine deutlich größere Empfindlichkeit gegenüber Vibrationen oder sonstigen mechanischen Belastungen aufweist. Daher ist es in aller Re gel erforderlich, einen möglichst spannungsfreien Einbau des Hitzeschildes vorzusehen. Dieser führt in aller Regel zu dem Vorhandensein von Spalten sowohl zwischen einzelnen Teilen des Hitzeschildes und insbesondere zwischen dem Hitzeschild und angrenzenden Bauteilen.

Zur Verhinderung einer thermischen Schädigung der Tragstruk tur im Bereich von Spalten ist es im Stand der Technik üb- lieh, einen Kühlluftstrom vorzusehen, der das Eindringen von Heißgas in den Spalt verhindert.

Nachteilig hierbei ist wiederum der Kühlluftstrom, welche in sofern nicht dem Brenner zur Verbrennung zugeführt werden kann und sich somit der Wirkungsgrad verschlechtert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Mög lichkeit zur Reduktion des Kühluftstroms vorzuschlagen.

Die gestellte Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Aus führungsform einer Brennkammer nach der Lehre des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteran sprüche.

Die gattungsgemäße Brennkammer kann für unterschiedliche Ver wendungszwecke vorgesehen sein, wobei sich diese Ausführungs form insbesondere bei einer Gasturbine anbietet. Die Brenn kammer definiert eine ungefähr mittig angeordnete Brennkam merachse, welche sich von einer stromaufwärtigen Seite zu ei ner stromabwärtigen Seite erstreckt. Die Brennkammer weist eine die Brennkammerachse umlaufend umgebende Tragstruktur auf. Dabei besteht die Tragstruktur zumindest mehrheitlich aus einem metallischen Material. Abgesehen von Beschichtungen oder Anbauten besteht die Tragstruktur bevorzugt aus einem metallischen Material. Dabei weist die Tragstruktur auf der stromabweisenden Seite eine Querschnittsverkleinerung auf. In welcher Art die Querschnittsverkleinerung ausgeführt ist, ist zunächst unerheblich. Auf der gegenüberliegenden, stromauf wärtigen Seite bildet die Tragstruktur ein Anschlagelement. Gleichfalls ist die Ausführung des Anschlagelements zunächst unerheblich .

Innerhalb der Tragstruktur auf der zu einem Brennraum weisen den Seite befindet sich ein Hitzeschild, welcher - abgesehen von möglichen Befestigungsmitteln und/oder Beschichtungen und/oder inneren Verstärkungen - aus einem keramischen Mate rial besteht. Dabei ist vorgesehen, dass die Lage des Hitze schildes innerhalb der Tragstruktur entlang der Brennkammer achse auf der stromabwärtigen Seite durch die Querschnitts verkleinerung und auf der stromaufwärtigen Seite durch das Anschlagelement begrenzt ist. Zur Vermeidung einer unzulässi gen Einspannung des Hitzeschildes in Richtung der Brennkam merachse zwischen der Querschnittsverkleinerung und dem An schlagelement ist weiterhin vorgesehen, dass ein Spalt zumin dest zwischen dem Hitzeschild und dem Anschlagelement vorhan den ist.

Zur Reduktion des Kühlluftverbrauchs ist erfindungsgemäß vor gesehen, dass im Anschlagelement eine um die Brennkammerachse umlaufende, sich zum Hitzeschild öffnende Dichtungsnut vor handen ist. In der Dichtungsnut ist dabei ein Dichtelement angeordnet, welches sich aus dem Anschlagelement heraus er streckt und hierbei den Spalt abdeckt und am Hitzeschild an liegt.

Durch den Einsatz eines Dichtelements auf der stromaufwärti gen Seite des Hitzeschildes kann der Kühlluftverbrauch redu ziert und somit der Wirkungsgrad gesteigert werden.

Die Gestaltung der Brennkammer erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn die Tragstruktur und folglich der Hitze schild eine rohrförmige (nicht unbedingt kreisrunde) Gestalt aufweisen.

Zur Sicherstellung einer Anlage des Dichtelements am Hitze schild ist vorteilhaft vorgesehen, dass im Anschlagelement zumindest ein Federelement vorhanden ist, welches im Zusam menbau elastisch vorgespannt ist und hierbei in Richtung der Brennkammerachse auf das Dichtelement wirkt und somit die zu verlässige Anlage des Dichtelements am Hitzeschild gewähr leistet wird. Besonders vorteilhaft ist es hierbei ein Federelement einzu setzen, welches gleichfalls in der Dichtungsnut zwischen dem Nutgrund und dem Dichtelement angeordnet wird. Hierbei kann das Federelement beispielsweise eine wellenförmige Gestalt aufweisen.

Die Querschnittsverkleinerung einerseits zur Abbildung des gewünschten Querschnitts der Brennkammer im stromabwärtigen Bereich sowie andererseits zur Begrenzung einer Verschiebung des Hitzschildes entlang der Brennkammerachse kann auf unter schiedliche Weise abgebildet werden.

Dabei ist in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass die Querschnittsverkleinerung von einem ko nischen Abschnitt gebildet wird. Die konische Formgebung in diesem Sinne erfordert nicht zwingend eine rotationsförmige Gestalt, sondern ähnliche, im Querschnitt stromabwärts klei ner werdende Formgebungen sind ebenso umfasst. Bei einer bei spielsweise rotationsförmigen Gestalt führt dies zu einer Re duktion des Durchmessers in Strömungsrichtung des Heißgases in der Brennkammer. Zumindest ist bei der Ausführungsform vorteilhaft vorgesehen, dass sich der Hitzeschild über einen Abschnitt vom Außenumfang des Hitzeschildes unmittelbar (eine Außenfläche des Hitzeschildes liegt an der Tragstuktur an) oder besonders vorteilhaft mittelbar an der Querschnittsver kleinerung abstützt. Dabei kann vorteilhaft zur Vermeidung von Abrieb sowie zur Gewährleistung einer zentrischen Positi on des Hitzeschildes innerhalb der Tragstruktur vorgesehen sein, dass zwischen dem Außenumfang des Hitzeschildes und der Tragstruktur zumindest ein Verschleißschutzelement und/oder elastische Spannelemente, beispielsweise Blattfedern, ange ordnet sind.

In einer alternativen Ausführungsform ist demgegenüber vorge sehen, dass die Querschnittsverkleinerung einen Absatz um fasst. In diesem Fall ist vorgesehen, dass der Hitzeschild über einen Randabschnitt unmittelbar oder mittelbar am Absatz anliegt. Dabei sind aneinander anliegende Flächen des Absat- zes sowie des anliegenden Randabschnitts ungefähr senkrecht zur Brennkammerachse ausgerichtet. Vorteilhaften ist in die sem Fall die definierte Abstützung in Richtung der Brennkam merachse mit dem Nachteil der möglicherweise komplexeren Ge staltung der Tragstruktur und des Hitzeschildes. In diesem Fall ist es unerheblich, ob die Querschnittsverkleinerung weiterhin eine konusförmige Gestalt aufweist.

Der Hitzeschild kann im einfachsten Fall von einem einzigen Hitzeschildelement gebildet sein. In vorteilhafter Weise wird der Hitzeschild in Richtung der Brennkammerachse von zumin dest zwei Hitzeschildelementen gebildet. Dabei ist insbeson dere vorteilhaft vorgesehen, dass die zumindest zwei aufei nanderfolgende Hitzeschildelemente unmittelbar oder mittelbar aneinander (beispielsweise mit zwischenliegendem Verschleiß schutz) anliegen.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn bei größerem Durchmesser der Hitzeschild in umlaufende Richtung von zumindest zwei Hitzeschildelementen gebildet wird. Auch hier ist vorteilhaft vorgesehen, dass diese unmittelbar oder mittelbar aneinander anliegen.

Zur Sicherung einer zentrischen Lage des Hitzeschildes in der Tragstruktur ist vorteilhaft vorgesehen, dass zwischen dem Hitzeschild und der Tragstruktur zumindest ein in radialer Richtung wirkendes Spannelement vorhanden ist. Bevorzugt wer den hierbei mehrere im Umfang verteilt angeordnete Spannele mente eingesetzt, welche zusammen die zentrische Positionie rung des Hitzeschildes bewirken. Hierdurch wird ein Toleranz ausgleich sowie ein Ausgleich von thermischen Dehnungen ge währleistet. Als Spannelemente werden vorzugsweise Blattfe dern eingesetzt.

In der nachfolgenden Figur wird eine beispielhafte Ausfüh rungsform für eine erfindungsgemäße Brennkammer skizziert. Die Brennkammer 01 definiert eine Brennkammerachse und um fasst hierbei zunächst einmal eine rotationförmige Tragstruk tur 02. Diese 02 weist auf der stromabwärtigen Seite eine Querschnittsverkleinerung 03 mit einer konusförmigen Gestalt auf. Gegenüberliegend auf der stromaufwärts liegenden Seite befindet sich ein Anschlagelement 04 in Form eines Absatzes.

Innerhalb der Tragstruktur 02 wird der Hitzeschild 11 in die sem Beispiel gebildet von drei Hitzeschildelementen 12, 13. Das stromabwärts angeordnete Hitzeschildelement 12 weist gleichfalls wie die Querschnittsverkleinerung 03 eine koni sche Gestalt auf. In diesem Beispiel liegt das Hitzeschil delement 12 mit dem Außenumfang an der Innenseite der Quer- schnittsverkleinerung 03 an. Vorteilhafter ist es jedoch, wenn zwischen dem Hitzeschild 11 und der Tragstruktur 02 im Bereich der Querschnittsverkleinerung 03 Spannelemente vor handen sind. Somit wird eine unmittelbare Anlage des Hitze schildelements 12 an der Tragstruktur 02 vermieden und zu gleich wird die zentrische Lage auch bei geringen Formunter schieden zwischen Hitzeschild 12 und Tragstruktur 02 sicher gestellt. In jedem Fall wird somit die Lage des Hitzeschildes 11 in stromabwärtiger Richtung begrenzt. Hierzu benachbart auf stromaufwärts liegender Seite wird der Hitzeschild 11 von zwei in Umfangsrichtung unterteilten Hitzeschildelementen 13 gebildet. Zur Sicherstellung einer zentrischen Lage ist hier bei vorgesehen, dass im Umfang verteilt mehrere in radialer Richtung wirkende Spannelemente 14 zwischen den Hitzeschil delementen 13 und der Tragstruktur 02 angeordnet sind.

Weiterhin ist die Anordnung einer Dichtungsnut 05 mit dem da rin angeordneten Dichtelement 06 zu erkennen. Dabei liegt das Dichtelement 06 an den Hitzeschildelementen 13 an und über deckt dabei einen Spalt zwischen dem Hitzeschild 11 und dem Anschlag 04. Somit wird ein unnötiger Kühlluftverbrauch ver mieden. Zur Sicherstellung der Anlage des Dichtelements 06 am Hitzeschild 11 ist weiterhin ein elastisch vorgespanntes Fe derelement 07 vorgesehen, welches 07 in der Dichtungsnut 05 zwischen dem Nutgrund und dem Dichtelement 06 angeordnet ist.