Vorrichtung zur Montage eines Hitzeschildelementes

Die Erfindung betrifft eine Montagevorrichtung zur Montage eines Hitzeschildelementes, ein Verfahren zur Montage eines Hitzeschildelementes und eine Verwendung der Montagevorrichtung mit den in den Oberbegriffen jeweiliger unabhängiger Ansprüche genannten Merkmalen.

In vielen technischen Anwendungen werden leistungsfähige keramische Hitzeschilde verwendet, um Temperaturen bis 1600 Grad Celsius zu widerstehen. Insbesondere die Hitzeschilde von Turbinenmaschinen wie Gasturbinen und Turbinentriebwer- ken, wie sie in stromerzeugenden Kraftwerken und in größeren Flugzeugen Verwendung finden, weisen entsprechend große durch Hitzeschilde abzuschirmende Flächen im Inneren ihrer Brennkammern auf. Wegen der thermischen Ausdehnung und wegen großer Abmessungen muss der Schild aus einer Vielzahl einzelner aus Keramik hergestellter Hitzeschildelemente zusammengesetzt werden, die voneinander mit einem ausreichenden Spalt beabstandet sind. Dieser Spalt bietet den Hitzeschildelementen ausreichenden Raum für die thermische Ausdehnung. Da jedoch der Spalt auch einen direkten Kontakt der heißen Verbrennungsgase mit der den Hitzeschild tragenden Tragstruktur ermöglicht, wird als eine effektive Gegenmaßnahme durch die Spalte in Richtung der Brennkammer ein Kühlfluid in Form von Kühlluft über Kühlkanäle eingeblasen. Diese Kühlluft wird ferner dazu verwendet, gezielt die metallischen Halterungen, mit welchen die keramischen Hitzeschildelemente (CHS, Ceramic Heat Shields) an der Tragstruktur verklammert sind, anzublasen und somit zu kühlen.

Um die Halterungen möglichst einfach und einteilig auszufüh- ren, ist eine Bauweise bekannt, bei der diese Halterungen einerseits in der Tragstruktur kreisumlaufend und parallel ausgebildete Nut eingreifend einschiebbar sind und andererseits mit ausgebildeten Greifabschnitten in Halternuten verklammert werden, die in seitlichen Kanten der keramischen Hitzeschildelemente ausgebildet sind. Die Hitzeschildelemente werden nacheinander mit den Haltern in die Nuten der Tragstruktur eingeschoben, wobei die nachkommenden Elemente die vorher po- sitionierten in ihren Positionen versperren. Auf diese Weise kann beispielsweise eine kreisumlaufende Reihe von Hitzeschildelementen in einer Brennkammer einer Gasturbine gebildet werden.

Das letzte verbleibende Hitzeschildelement kann jedoch nicht mehr auf diese Weise montiert werden, weil die beiderseits vorhandenen benachbarten Hitzeschildelemente eine tangential gerichtete Montagebewegung blockieren. Oft wird ein derartiges letzes Hitzeschildelement als Attrappenplatte oder kurz Attrappe bezeichnet. Folglich werden zum Anbringen des letzten Hitzeschildelementes Lösungen mit Verschraubungen angewendet, die eine Montage des Hitzeschildelementes in Richtung der Flächennormalen der Tragstruktur ermöglichen.

Eine bekannte Verschraubung benutzt hierzu vier Schrauben, die in den in seitlichen Kanten des Hitzeschildelementes hierfür ausgebildete Aussparungen eingreifen. Diese Lösung ist vielfach dadurch benachteiligt, weil die Montage ein Handhabungsproblem mit sich bringt. Die Handhabung der vier Schrauben erzwingt beispielsweise die Verwendung von Fixiermitteln wie Verklebung oder Klebeband, die nicht zuverlässig sind, wodurch die Schrauben verloren gehen können und wegen hoher Beschädigungsgefahr unbedingt gefunden werden müssen. Ferner ist eine Über-Kopf-Montage ungünstig, da die Schrauben durch die Fixierung mit Klebeband verkippen können und somit nicht mehr in die vorgesehenen Bohrungen eingeführt werden können. Da es sich um das letzte Hitzeschildelement handelt, können die Schraube nicht per Hand positioniert werden, sondern müssen per Inbus - ohne Sicht - in die Bohrungen einge- fädelt werden. Außerdem kann es notwendig sein, zwei Personen für die Montage des letzten Hitzeschildelementes einzusetzen, da die vier Schrauben in die entsprechenden vier Bohrungen in der Tragstruktur eingeführt werden müssen. EP 1 701 095 Al und EP 0 558 540 Bl beschreiben beispielhaft einen wie oben beschrieben ausgeführten Hitzeschild mit den geschilderten Vorteilen und Nachteilen. Die Hitzeschildele- mente werden oft auch als Steine und die sie haltenden Halteelemente Steinhalter genannt.

Die vorliegende Erfindung macht es sich zur Aufgabe, die Montage eines Hitzeschildelementes in Richtung der Flächennorma- len der Tragstruktur eines aus einer Vielzahl von Hitzeschildelementen aufgebauten Hitzeschildes sicher und unkompliziert zu gestalten.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung nach einem ers- ten Aspekt von einer Montagevorrichtung zur Montage eines flächenhaft ausgebildeten Hitzeschildelementes eines eine Vielzahl benachbart angeordneter Hitzeschildelemente aufweisenden Hitzeschildes mithilfe wenigstens einer Schraubverbindung auf einer Tragstruktur aus. Dabei weist die Montagerich- tung in Richtung der Flächennormalen der Tragstruktur. Außerdem weist das Hitzeschildelement wenigstens eine Öffnung zum Durchstecken eines Montagewerkzeuges, insbesondere eines Schraubwerkzeuges auf.

Um mit Hilfe oben beschriebener Montagevorrichtung die erfindungsgemäßen Aufgaben zu lösen, ist ein Rahmen mit Mitteln zum Halten wenigstens eines Schraubwerkzeuges und wenigstens einer Halteeinrichtung zum Festhalten des Hitzeschildelementes an dem Rahmen vorgesehen, derart, dass die Position des wenigstens einen Schraubwerkzeuges und wenigstens einer Halteeinrichtung in Bezug aufeinander beibehalten wird.

Die Halteeinrichtung zum Festhalten des Hitzeschildelementes an dem Rahmen ist vorzugsweise als ein Saugnapf ausgeführt, mit dem auf der gewöhnlich glatten Oberfläche des Hitzeschildelementes eine gute Saugverbindung erzielbar ist. Ferner kann die Halteeinrichtung zum Festhalten des Hitzeschildelementes an dem Rahmen mit dem Rahmen festverbunden sein .

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung vorliegender Erfindung kann die Halteeinrichtung zum Festhalten des Hitzeschildelementes an dem Rahmen mit dem Rahmen höhenverstellbar verbunden sein. Dadurch wird eine Anpassung der Montagevorrichtung an die Aufgabe ermöglicht.

Wenigstens ein Mittel zum Halten wenigstens eines Schraubwerkzeuges ist in Bezug auf den Rahmen dreh- und/oder kippbar und/oder translatorisch verschiebbar ausgeführt.

Das Mittel zum Halten wenigstens eines Schraubwerkzeuges ist vorzugsweise als ein Kugelgelenk ausgeführt, und das Kugelgelenk ist mit einer definierten vorgegebenen Schwergängigkeit oder Reibung beaufschlagt, wodurch das Schraubwerkzeug flexibel einstellbar und zugleich in einer erreichten Position fi- xierbar ist.

Die erfindungsgemäße Montagevorrichtung kann daran angepasst werden, vorhandene Attrappen-Hitzeschildelemente mit vier Verschraubungen zu montieren, wenn insbesondere vier Schraub- Werkzeuge für vier jeweils korrespondierende Befestigungsschrauben vorgesehen sind.

Für eine einfache manuelle Betätigung ist das wenigstens eine Schraubwerkzeug mit einem Handgriff zum manuellen Betätigen des Schraubwerkzeugs ausgestattet. Dieser Handgriff ist beispielsweise im einfachsten Fall als eine zylindrische Verdickung des Kopfbereiches des Schraubwerkzeuges ausgeführt.

Ferner ist das wenigstens eine Schraubwerkzeug mit seiner Werkzeugspitze in eine im Kopf einer Befestigungsschraube ausgebildete Formvertiefung einsteckbar. Die Formvertiefung der zum Schraubwerkzeug korrespondierenden Befestigungsschraube der wenigstens einen Schraubverbindung des Hitze- Schildelementes ist vorzugsweise als eine Inbus-, Kreuz- oder Querschlitzkopplung oder eine anders ausgebildete Eingriffvertiefung ausgebildet.

Nach einem verfahrenstechnischen Aspekt werden die erfindungsgemäßen Aufgaben durch ein Verfahren zur Montage eines Hitzeschildelementes mit Hilfe einer Montagevorrichtung nach einer vorhergehend beschriebenen bevorzugten Ausgestaltung gelöst .

Hierzu wird

- die wenigstens eine Befestigungsschraube des Hitzeschildelementes in eine für die Befestigungsschraube vorgesehene Aussparung oder Öffnung eingesteckt, - der wenigstens eine Saugnapf der Halteeinrichtung zum Festhalten des Hitzeschildelementes an dem Rahmen der Montagevorrichtung durch Andrücken gegen die Oberfläche der Heißseite des Hitzeschildelementes in eine Saugverbindung versetzt, das wenigstens eine Schraubwerkzeug in die im Kopf der Be- festigungsschraube ausgebildete Formvertiefung eingesteckt,

- das Hitzeschildelement mit der an ihm angebauten Montagevorrichtung in einer entlang der Flächennormalen der Tragstruktur des Hitzeschildes gerichteten Montagebewegung in die für ihn vorgesehene Position geführt, - die wenigstens eine Befestigungsschraube mit Hilfe des mit ihr verbundenen Schraubwerkzeuges in eine in der Tragstruktur ausgebildete korrespondierende Verschraubungsbohrung eingeführt, sodass der Verschraubungsvorgang vorbereitet wird,

- das wenigstens eine Schraubwerkzeug mit der Befestigungs- schraube in die Verschraubungsbohrung eingeschraubt, und

- die Montagevorrichtung von dem Hitzeschildelement abgenommen, indem der Saugnapf gelöst und das wenigstens eine Schraubwerkzeug aus der Formvertiefung der wenigstens einen Befestigungsschraube herausgezogen wird. Anschließend wird jede Befestigungsschraube mit einem Drehmomentschlüssel auf ein definiertes gewünschtes Drehmoment festgezogen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, dass die Montage des Hitzeschildelementes in einer beliebigen gewünschten Ausrichtung oder Position, darunter auch unter einem beliebigen Neigungswinkel oder Über-Kopf-Position vorge- nommen werden kann.

Nach einem verwendungstechnischen Aspekt werden die erfindungsgemäßen Aufgaben durch eine Verwendung der Montagevorrichtung zum Montieren eines letzten, eine Reihe von vormon- tierten benachbarten Hitzeschildelementen abschließenden Hitzeschildelementes eines Hitzeschildes gelöst.

Hierbei dient der Hitzeschild vorzugsweise zum Auskleiden einer von heißen Brenngasen angeströmten Wandung einer Turbi- nenmaschine, die insbesondere als eine Gasturbine ausgeführt sein kann. Solche Turbinenmaschinen kommen als Antriebswerke von Stromgeneratoren in Kraftwerken oder als Triebwerke in großen Flugzeugen zum Einsatz.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Außerdem ergeben sich weitere erfindungsgemäße Merkmale, Eigenschaften und Vorteile aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele unter Bezug auf die beigefügten Fi- guren.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Montagevorrichtung im Einsatz mit einem Hitzeschildelement.

Die in Figur 1 gezeigte bevorzugte Ausgestaltung der erfin- dungsgemäßen Montagevorrichtung ist auf einem Hitzeschildelement 14 bekannter Bauweise angebracht. Das Hitzeschildelement 14 ist für eine senkrechte Verschrau- bung an der Tragstruktur 17 eingerichtet und weist hierzu an zwei einander abgewandten Seitenkanten jeweils zwei Vertiefungen 4 auf, die hierbei vorzugsweise rechteckig ausgeführt sind, damit die in sie jeweils einzulegenden Scheiben bzw. Winkelbleche 2 gegen eine Verdrehung fixiert werden. Jede Vertiefung 4 weist ferner eine seitliche Aussparung 1 auf, in welche der Stabkörper einer Befestigungsschraube 18 seitlich eingelegt wird.

Die Befestigungsschraube 18 mit der Scheibe bzw. dem Wi- kelblech 2 kann somit seitlich in die seitliche Aussparung 1 und Vertiefung 4 eingelegt werden. Im Kopf der Befestigungsschraube 18 ist eine Formvertiefung zur Aufnahme einer kor- respondierend geformten Werkzeugspitze eines Schraubwerkzeuges vorgesehen. Diese Formvertiefung und die Werkzeugspitze ist bevorzugt als eine der bekannten Inbussteckverbindungen ausgeführt, kann jedoch auch andere Formen aufweisen, wie Kreuz- oder Querschlitz.

Axial über der Formvertiefung des Kopfes 3 der Befestigungsschraube 18 ist seitens der Heißseite 21 des Hitzeschildelementes 14 jeweils eine Zugangsöffnung 5 durchgehend bis in den durch die Vertiefung 4 ausgebildeten Raum getrieben. Der Durchmesser dieser Zugangsöffnung 5 ist wesentlich kleiner, als der Durchmesser des Kopfes 2 der Befestigungsschraube 18 und ist so bemessen, dass er dazu ausreicht, ein Schraubwerkzeug 6 passieren zu lassen. Im Betrieb des Hitzeschildes gelangen heiße Verbrennungsgase daher nur im eingeschränkten Maße durch die in der Größe minimierten Zugangsöffnungen 5 in die Vertiefungen 4 zu den metallischen Scheiben 2 und Köpfen 3 der Befestigungsschrauben 18. Ferner werden die Vertiefungen 4 von dem Kühlfluid gespült, das durch die Zwischenspalte d von der Tragstruktur 17 aus in den Brennraum eingeblasen wird, um die Vertiefungen 4 gegen den Eintritt von Heißgas zu sperren. Ein Teil des Kühlfluids, das meistens als Kühlluft vorliegt, kann auch durch die Zugangsöffnung 5 in den Brennraum gelangen. Der Zwischenspalt d ist vorgesehen, der ther- mischen Ausdehnung einzelner Hitzschildelemente 8, 14 ausreichenden Raum zur Verfügung zu stellen.

Jede Befestigungsschraube 18 wird in eine Schraubverbindung in der Tragstruktur 17 eingeschraubt, die im vorliegenden Beispiel jeweils als ein Tellerfederpaket 19 ausgeführt ist. Eine (nicht dargestellte) Gewindemutter dient dazu, das Tellerfederpaket 19 zu komprimieren. Die vorgespannten Tellerfederpakete 19 sorgen für eine federnd nachgebende Befestigung des Hitzeschildelementes 14, die erforderlich ist, um z. B. aufgrund thermischer und thermoakustischer Bedingungen induzierte Bewegungen auszugleichen.

Bei der konventionellen Montage müssen die vier Befestigungs- schrauben 18 mit den Scheiben 2 in die jeweiligen seitlichen Vertiefungen 4 und Aussparungen 1 seitlich eingelegt werden und gegen Herausfallen während der Montage gesichert werden.

An dieser Stelle ist die erfindungsgemäße Montagevorrichtung wesentlich effektiver einsetzbar. Die Montagevorrichtung weist einen Rahmen 12 auf, der beispielsweise ein Haltekreuz 11 als einen mittig angeordneten Träger hat. Im Mittelpunkt des Haltekreuzes 11 ist senkrecht zum Rahmen 12 eine Stange 13 als eine Halteeinrichtung für einen Saugnapf 15 festste- hend oder in einer bevorzugten Ausgestaltung höhenverstellbar angeordnet. Die Höhenverstellbarkeit kann beispielsweise mit- hilfe eines an der Stange 13 aufgebrachten Gewindes realisiert sein. Ein Handgriff 10 in Form einer zylindrischen Verdickung dient zum Drehen der Stange 13 und somit der Höhenan- passung der Halteeinrichtung 15.

An den jeweiligen Ecken des rechtwinkligen Rahmens 12 ist jeweils ein Schraubwerkzeug 6 angebaut, wobei die Positionen dieser Schraubwerkzeuge 6 so gewählt sind, dass sie zu den Positionen der vier Verschraubungen in der Tragstruktur 17 korrespondieren . Jedes Schraubwerkzeug 6 ist vorzugsweise kippbar, drehbar und höhenverstellbar bzw. höhenverschiebbar im jeweiligen Eckbereich des Rahmens 12 angeordnet. Dies ist in einer bevorzugten Ausgestaltung beispielsweise durch ein Kugelgelenk ausge- führt, in welchem das Schraubwerkzeug 6 auch senkrecht translatorisch verschiebbar angeordnet ist. Vorzugsweise sind sämtliche Bewegungen durch eine voreingestellte Reibung mit einer gewünschten Schwergängigkeit beaufschlagt, wodurch gleichermaßen eine freie Bewegung des Schraubwerkzeuges zum Anpassen der Position zum Drehen des Schraubwerkzeuges 6 und zum Verschieben des Schraubwerkzeuges 6 in der Höhe, als auch eine Fixierung in einer erreichten Position möglich ist. Durch eine solche Fixierung kann die Bedienperson einzeln nacheinander alle vier Schraubwerkzeuge 6 in die jeweiligen Köpfe 2 der Befestigungsschrauben einstecken, ohne dass man sie alle vier gleichezeitig halten muss. Jedes Schraubwerkzeug 6 weist an seinem äußeren Ende einen Handgriff 9 auf, der die manuelle Handhabung des Schraubwerkzeuges 6 erleichtert.

Ein Montagevorgang gestaltet sich beispielsweise derart, dass die Bedienperson zunächst ein Hitzeschildelement 14 mit den vier Befestigungsschrauben mit jeweiligen Scheiben 2 in jeder der vier seitlichen Vertiefungen 4 und Aussparungen 1 einlegt und mit der Heißseite 21 vorzugsweise nach oben positioniert.

Dann setzt man die Montagevorrichtung vorzugsweise von oben mit den vier Schraubwerkzeugen, einen nach dem anderen in jeweils eine Zugangsöffnung 5 ein und steckt die jeweilige Werkzeugspitze in die Formvertiefung des Kopfes 3 der Befestigungsschraube 18. Wenn alle vier Befestigungsschrauben 18 eingesteckt sind, passt die Bedienperson die Höhe der Stange 13 derart an, dass der Saugnapf 15 in Berührung mit der Heißseite 21 des Hitzeschildelementes 14 kommt und eine Saugver- bindung durch Andrücken des Saugnapfes entsteht. Hierzu kann auch der Rahmen 12 niedergedrückt werden, wodurch die Schraubwerkzeuge 6 in ihren Halterungen gegen die Reibkraft verschoben werden. Alternativ kann umgekehrt, zuerst der Saugnapf 15 durch Andrücken in eine Saugverbindung mit der Heißseite 21 des Hitzeschildelementes 14 gebracht werden und erst dann die ein- zelnen Schraubwerkzeuge 6 in ihren Halterungen durch Kippen, Drehen und Verschieben in die Köpfe 2 der Befestigungsschrauben eingesteckt werden.

Das auf diese Weise an der Montagevorrichtung angebrachte Hitzeschildelement 14 kann nun von einer einzigen Bedienperson angehoben und in einer beliebig ausgerichteten Montagestellung zwischen vormontierten benachbarten Hitzeschildern 8 eingefügt werden. Hierbei kann die Bedienperson bequem eine nach der anderen die Befestigungsschrauben 18 durch Kippen, Drehen und Verschieben der Schraubwerkzeuge 6 in die jeweiligen Tellerfederpakete 19 einfädeln und die Gewindeverbindung durch Schrauben der Schraubwerkzeuge 6 soweit vorantreiben, wie hierzu die manuell erzeugbaren Drehmomente erlauben.

Wenn alle vier Schraubverbindungen auf diese Weise eingeleitet sind, kann die Montagevorrichtung abgenommen werden, indem der aus einem elastischen Werkstoff hergestellte Saugnapf gelöst wird. Hierzu kann der Saugnapf beispielsweise ein Ent- lüftungs- und Belüftungsventil mit Hebelbetätigung aufweisen oder einfach manuell angehoben werden.

Nach dem Ablösen der Montagevorrichtung kann die Bedienperson beispielsweise mithilfe eines Drehmomentschlüssels die Befestigungsschrauben 18 bis auf ein vordefiniertes Drehmoment festziehen.