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Title:
HEAT SHIELD ARRANGEMENT FOR A HOT GAS-GUIDING COMPONENT, PARTICULARLY FOR A COMBUSTION CHAMBER OF A GAS TURBINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/019730
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a heat shield arrangement (26) for a hot gas (M)-guiding component, which comprises a number of heat shield elements (26A, 26B) arranged side-by-side on a supporting structure (31) while leaving a gap (45) therebetween. A heat shield element (26A, 26B) can be mounted on the supporting structure (31) whereby forming an interior space (37), which is delimited in areas by a hot gas wall (39) to be cooled, with an inlet channel (41) for admitting a coolant (K) into the interior space (37). According to the invention, a coolant discharge channel (43) is provided for the controlled discharge of coolant (K) from the interior space (37) and, from the interior space (37), leads into the gap (45). Coolant (K) can be saved and efficiently used by the specific coolant discharge via the coolant discharge channel (43), and a reduction in pollutant emissions can also be achieved. The heat shield arrangement (26) is particularly suited for linking a combustion chamber (4) of a gas turbine (1).

Inventors:
DAHLKE STEFAN (DE)
PUETZ HEINRICH (DE)
Application Number:
PCT/EP2004/008116
Publication Date:
March 03, 2005
Filing Date:
July 20, 2004
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
DAHLKE STEFAN (DE)
PUETZ HEINRICH (DE)
International Classes:
F23M5/02; F23M5/08; F23R3/00; (IPC1-7): F23R3/00; F23M5/02; F23M5/08
Foreign References:
US6470685B22002-10-29
GB2298266A1996-08-28
EP0224817B11989-07-12
US5216886A1993-06-08
EP1005620B12002-07-03
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (München, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Hitzeschildanordnung (26) für eine ein Heißgas (M) füh rende Komponente, die eine Mehrzahl von unter Belassung eines Spalts (45) nebeneinander an einer Tragstruktur (31) ange ordneten Hitzeschildelemente (26A, 26B) umfasst, wobei ein Hitzeschildelement (26A, 26B) auf der Tragstruktur (31) an bringbar ist, so dass ein Innenraum (37) gebildet ist, der bereichsweise von einer zu kühlenden Heißgaswand (39) be grenzt ist, mit einem Einlaßkanal (41) zur Einströmung eines Kühlmittels (K) in den Innenraum (37), d a d u r c h gekennzeichnet dass zum kon trollierten Austritt von Kühlmittel (K) aus dem Innenraum (37) ein Kühlmittelauslasskanal (43) vorgesehen ist, der von dem Innenraum (37) in den Spalt (45) einmündet.
2. Hitzeschildanordnung (26) nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet, dass das Hitze schildelement (26A, 26B) eine Seitenwand (49) aufweist, die gegenüber der Heißgaswand (39) in Richtung der Tragstruktur (31) geneigt ist.
3. Hitzeschildanordnung (26) nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Kühl mittelauslasskanal (43) die Seitenwand (49) durchdringt.
4. Hitzeschildanordnung (26) nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zur Vermei dung von residualen Kühlmittelleckagen aus dem Innenraum (37) ein Dichtelement (51) zwischen der Seitenwand (49) und der Tragstruktur (31) angebracht ist.
5. Hitzeschildanordnung (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h gekennzeichnet dass dem Innen raum (37) eines Hitzeschildelements (26A, 26B) eine Prall kühleinrichtung (53) zugeordnet ist, so dass die Heisgaswand (39) mittels Prallkühlung kühlbar ist.
6. Hitzeschildanordnung (26) nach Anspruch 5, d a d u r c h gekennzeichnet, dass die Prall kühleinrichtung (53) durch eine Vielzahl von Einlasskanälen (41, 41A, 41B, 41C) für Kühlmittel (K) gebildet ist, die in die Tragstruktur (31) eingebracht sind.
7. Hitzeschildanordnung (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Hitze schildelement (26A, 26B) aus einem Metall oder einer Metall legierung besteht.
8. Brennkammer (4) mit einer Hitzeschildanordnung (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
9. Gasturbine (1) mit einer Brennkammer (4) nach Anspruch 8.
Description:
Beschreibung Hitzeschildanordnung für eine ein Heißgas führende Komponen- te, insbesondere für eine Brennkammer einer Gasturbine Die Erfindung betrifft eine Hitzeschildanordnung für eine ein Heißgas führende Komponente, die eine Mehrzahl von unter Be- lassung eines Spalts nebeneinander an einer Tragstruktur an- geordnete Hitzeschildelemente umfasst, wobei ein Hitzeschild- element auf der Tragstruktur anbringbar ist, so dass ein In- nenraum gebildet ist, der bereichsweise von einer zu kühlen- den Heißgaswand begrenzt ist, mit einem Einlasskanal zur Ein- strömung eines Kühlmittels in dem Innenraum. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkammer mit einer inneren Brenn- kammerauskleidung, die eine derartige Hitzeschildanordnung aufweist sowie eine Gasturbine mit einer derartigen Brenn- kammer.

Aufgrund der in Heißgaskanälen oder anderen Heißgasräumen herrschenden hohen Temperaturen ist es erforderlich, die In- nenwandung eines Heißgaskanales bestmöglichst temperatur- resistent zu gestalten. Hierzu bieten sich zum einen hoch- warmfeste Werkstoffe, wie z. B. Keramiken an. Der Nachteil keramischer Werkstoffe liegt sowohl in ihrer starken Sprö- digkeit als auch in ihrem ungünstigen Wärme-und Temperatur- leitverhalten. Als Alternative zu keramischen Werkstoffen für Hitzeschilde bieten sich hochwarmfeste metallische Legierun- gen auf Eisen-, Chrom-, Nickel-oder Kobaltbasis an. Da die Einsatztemperatur von hochwarmfesten Metalllegierungen aber deutlich unter der maximalen Einsatztemperatur von kerami- schen Werkstoffen liegt, ist es erforderlich, metallische Hitzeschilder in Heißgaskanälen zu kühlen.

In der EP 0 224 817 B1 ist eine Hitzeschildanordnung, insbe- sondere für Strukturteile von Gasturbinenanlagen, beschrie- ben. Die Hitzeschildanordnung dient dem Schutz einer Trag- struktur gegenüber einem heißen Fluid, insbesondere zum

Schutz einer Heißgaskanalwand bei Gasturbinenanlagen. Die Hitzeschildanordnung weist eine Innenauskleidung aus hitze- beständigem Material auf, welche flächendeckend zusammenge- setzt ist aus an der Tragstruktur verankerten Hitzeschild- elementen. Diese Hitzeschildelemente sind unter Belassung von Spalten zur Durchströmung von Kühlfluid nebeneinander ange- ordnet und wärmebeweglich. Jedes dieser Hitzeschildelemente weist nach Art eines Pilzes einen Hutteil und einen Schaft- teil auf. Der Hutteil ist ein ebener oder räumlicher, poly- gonaler Plattenkörper mit geraden oder gekrümmten Berandungs- linien. Der Schaftteil verbindet den Zentralbereich des Plat- tenkörpers mit der Tragstruktur. Der Hutteil hat vorzugsweise eine Dreiecksform, wodurch durch identische Hutteile eine In- nenauskleidung nahezu beliebiger Geometrie herstellbar ist.

Die Hutteile sowie gegebenenfalls sonstige Teile der Hitze- schildelemente bestehen aus einem hochwarmfesten Werkstoff, insbesondere aus einem Stahl. Die Tragstruktur weist Bohrun- gen auf durch welche ein Kühlfluid, insbesondere Luft, in ei- nen Zwischenraum zwischen Hutteil und Tragstruktur einströmen kann und von dort durch die Spalte zur Durchströmung des Kühlfluids in einen von den Hitzeschildelementen umgebenen Raumbereich, beispielsweise einer Brennkammer einer Gas- turbinenanlage, einströmen kann. Diese Kühlfluidströmung ver- mindert das Eindringen von heißem Gas in den Zwischenraum.

In der US-5,216, 886 ist eine metallische Auskleidung für eine Verbrennungskammer beschrieben. Diese Auskleidung besteht aus einer Vielzahl nebeneinander angeordneter würfelförmiger Hohlbauteile (Zellen), die an einer gemeinsamen Metallplatte angeschweißt oder angelötet sind. Die gemeinsame Metallplatte weist jeweils jeder würfelförmigen Zelle zugeordnet genau ei- ne Öffnung zur Einströmung von Kühlfluid auf. Die würfelför- migen Zellen sind jeweils unter Belassung eines Spaltes ne- beneinander angeordnet. Sie enthalten an jeder Seitenwand in der Nähe der gemeinsamen Metallplatte eine jeweilige Öffnung zum Ausströmen von Kühlfluid. Das Kühlfluid gelangt mithin in die Spalte zwischen benachbarte würfelförmige Zellen, strömt

durch diese Spalte hindurch und bildet an einer einem Heißgas aussetzbaren, parallel der metallischen Platte gerichteten Oberfläche der Zellen, einen Kühlfilm aus. Bei dem in der US-5,216, 886 beschriebenen Aufbau einer Wandstruktur wird ein offenes Kühlsystem definiert, bei dem Kühlluft über eine Wandstruktur durch die Zellen hindurch in das Innere der Brennkammer hineingelangt. Die Kühlluft ist mithin für weite- re Kühlzwecke verloren.

In der DE 35 42 532 Al ist eine Wand, insbesondere für Gas- turbinenanlagen, beschrieben, die Kühlfluidkanäle aufweist.

Die Wand ist vorzugsweise bei Gasturbinenanlagen zwischen ei- nem Heißraum und einem Kühlfluidraum angeordnet. Sie ist aus einzelnen Wandelementen zusammengefügt, wobei jedes der Wand- elemente ein aus hochwarmfesten Material gefertigter Platten- körper ist. Jeder Plattenkörper weist über seine Grundfläche verteilte, zueinander parallele Kühlkanäle auf, die an einem Ende mit einem Kühlfluidraum und an dem anderen Ende mit dem Heißraum kommunizieren. Das in den Heißraum einströmende, durch die Kühlfluidkanäle geführte Kühlfluid bildet auf der dem Heißraum zugewandten Oberfläche des Wandelements und/oder benachbarter Wandelemente einen Kühlfluidfilm.

In der GB-A-849255 ist ein Kühlsystem zur Kühlung einer Brennkammerwand gezeigt. Die Brennkammerwand ist durch Wand- elemente gebildet. Jedes Wandelement weist eine Heißgaswand mit einer heißgas-beaufschlagbaren Außenseite und mit einer Innenseite auf. Senkrecht zur Innenseite sind Düsen angeord- net. Aus diesen Düsen tritt Kühlfluid in Form eines konzen- trierten Stroms aus und trifft auf die Innenseite. Dadurch wird die Heißgaswand gekühlt. Das Kühlfluid wird in einer Sammelkammer gesammelt und aus der Sammelkammer abgeführt.

Zusammenfassend liegt all diesen Hitzeschildanordnungen ins- besondere für Gasturbinen-Brennkammern das Prinzip zugrunde, dass Verdichterluft als Kühlmedium für die Brennkammer und deren Auskleidung, sowie als Sperrluft benutzt wird. Die

Kühl-und Sperrluft tritt in die Brennkammer ein, ohne an der Verbrennung teilgenommen zu haben. Diese kalte Luft vermischt sich mit dem Heißgas. Dadurch sinkt die Temperatur am Brenn- kammerausgang. Daher sinkt die Leistung der Gasturbine und der Wirkungsgrad des thermodynamischen Prozesses. Die Kompen- sation kann teilweise dadurch erfolgen, dass eine höhere Flammentemperatur eingestellt wird. Hierdurch jedoch ergeben sich sodann Werkstoffprobleme und es müssen höhere Emissions- werte in Kauf genommen werden. Ebenfalls nachteilig an den angegebenen Anordnungen ist es, dass sich durch den Eintritt eines nicht unerheblichen Kühlfluidmassenstroms in die Brenn- kammer bei der dem Brenner zugeführten Luft Druckverluste er- geben.

Um jegliches Ausblasen von Kühlmittel in die Brennkammer zu verhindern, sind aufwendige Systeme mit Kühlfluidrückführung bekannt, bei denen das Kühlfluid in einem geschlossenen Kreislauf mit einem Zufuhrsystem und einem Rückfuhrsystem ge- führt wird. Solche geschlossenen Kühlungskonzepte mit Kühl- fluidrückführung sind beispielsweise in der WO 98/13645 A1, der EP 0 928 396 B1 sowie der EP 1 005 620 B1 beschrieben.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hitzeschildanordnung, die mit einem Kühlmittel kühlbar ist, anzugeben, so dass bei ei- ner Kühlung der Hitzeschildanordnung allenfalls ein geringer Verlust an Kühlfluid auftritt. Die Hitzeschildanordnung soll in einer Brennkammer einer Gasturbine einsetzbar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Hitze- schildanordnung für eine ein Heißgas führende Komponente, die eine Mehrzahl von unter Belassung eines Spalts nebeneinander an einer Tragstruktur angeordneten Hitzeschildelemente um- fasst, wobei ein Hitzeschildelement auf der Tragstruktur anbringbar ist, so dass ein Innenraum gebildet ist, der be- reichsweise von einer zu kühlenden Heißgaswand begrenzt ist, mit einem Einlasskanal zur Einströmung eines Kühlmittels in den Innenraum, wobei zum kontrollierten Austritt von Kühlmit-

tel aus dem Innenraum ein Kühlmittelauslasskanal vorgesehen ist, der von dem Innenraum in den Spalt einmündet.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass aufgrund der sehr hohen Flammentemperaturen in Heißgaskanälen oder anderen Heißgasräumen, beispielsweise in Brennkammern von stationären Gasturbinen, die Heißgas führenden Komponenten aktiv gekühlt werden müssen. Hierzu können verschiedenste Kühlungstechnolo- gien-auch in Kombination-eingesetzt werden. Die am häu- figsten angewandten Kühlungskonzepte sind dabei die Konvek- tionskühlung, die Konvektionskühlung mit Turbulenz erhöhenden Maßnahmen sowie die Prallkühlung. Aufgrund der sehr intensi- ven Bemühungen insbesondere die Schadstoffemissionen von of- fen gekühlten Systemen, beispielsweise von offen gekühlten Brennkammern von Gasturbinen, zu reduzieren, ist die Einspa- rung von Kühlluft ein besonders wichtiger Faktor zur Errei- chung dieser Ziele-hier eine verstärkte NOx-Reduktion. Das Ziel für offen gekühlte Kühlungskonzepte ist daher die Mini- mierung des erforderlichen Kühlluftmassenstroms. Bei den be- reits weiter oben diskutierten herkömmlichen, offenen Küh- lungskonzepten entweicht die Kühlluft nach der erfolgten Kühlaufgabe letztendlich durch den Spalt benachbarter Hitze- schildelemente, um anschließend in den Brennraum zu gelangen.

Die Ausströmung der Kühlluft schützt das System vor Eindrin- gen von Heißgas in die Spalte. Durch das unkontrollierte Aus- blasen der Kühlluft wird jedoch mehr Kühlluft zum Sperren der Spalte eingesetzt, als für die Kühlaufgabe erforderlich ist.

Diese Überdosierung führt zu einem überhöhten Kühlluft- verbrauch mit nachteiligen Folgen für den gesamten Anlagen- wirkungsgrad und die Schadstoffemissionen des das Heißgas er- zeugende Verbrennungssystems.

Ausgehend von dieser Erkenntnis wird nunmehr mit der Hitze- schildanordnung der Erfindung erstmals ein kontrollierter und gezielter Austritt des Kühlmittels nach Verrichtung der Kühl- aufgabe an der zu kühlenden Heißgaswand für ein offenes Kühl- system vorgeschlagen. Die Hitzeschildanordnung ist dabei be-

sonders einfach realisierbar und gegenüber den geschlossenen Kühlungskonzepten mit Kühlmittelrückführung konstruktiv mit erheblich geringerem Fertigungsaufwand verbunden. Durch den kontrollierten Kühlmittelaustritt in den Spalt kann gegenüber den herkömmlichen Konzepten Kühlmittel, z. B. Kühlluft, ein- gespart werden sowie zugleich eine deutliche Reduzierung der Schadstoffemission bewirkt werden, insbesondere der NOx-Emis- sion. Dies wird dadurch erzielt, dass zum kontrollierten Aus- tritt von Kühlmittel aus dem Innenraum ein Kühlmittelauslass- kanal vorgesehen ist, der von dem Innenraum in den Spalt ein- mündet.

Vorteilhafterweise wird hierdurch in dem Spalt durch die ge- zielte und dosierte Beaufschlagung des Spalts mit Kühlmittel eine besonders hohe Kühleffizienz und Sperrwirkung des Kühl- mittels gegenüber einem Heißgasangriff in den Spalt auf die Tragstruktur erreicht. Der kontrollierte Austritt von Kühl- mittel aus dem Innenraum kann dabei in einfacher Weise durch entsprechende Dimensionierung des Kühlmittelauslasskanals, beispielsweise hinsichtlich des Kanalquerschnitts und der Ka- nallänge, vorgenommen werden.

In bevorzugter Ausgestaltung weist das Hitzeschildelement ei- ne Seitenwand auf, die gegenüber der Heißgaswand in Richtung der Tragstruktur geneigt ist. Hierdurch ist das Hitzeschild- element in seiner Grundgeometrie als ein einschaliger Hohl- körper ausgebildet, der an der Tragstruktur anbringbar ist, wobei der Innenraum gebildet ist. Der Innenraum ist dabei in genau einer Richtung von der Tragstruktur und in den anderen Raumrichtungen durch das Hitzeschildelement selbst begrenzt bzw. festgelegt.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung durchdringt der Kühl- mittelauslasskanal die Seitenwand. Der Kühlmittelauslasskanal kann dabei einfach als Bohrung durch die Seitenwand ausge- führt sein, wobei der Innenraum mit dem durch den Spalt ge- bildeten Spaltraum verbunden ist. Somit kann Kühlmittel auf-

grund der Druckdifferenz zwischen dem Innenraum und dem durch den Spalt definierten Spaltraum in kontrollierter Weise aus dem Innenraum durch den Kühlmittelauslaufkanal austreten.

Vorzugsweise ist zur Vermeidung von residualen Kühlmittel- leckagen aus dem Innenraum ein Dichtelement zwischen der Sei- tenwand und der Tragstruktur angebracht. Durch die Neigung der Seitenwand in Richtung der Tragstruktur kann bei einer lösbaren Befestigung des Hitzeschildelements an der Trag- struktur aus thermomechanischen Gründen ein Spalt vorgesehen sein, der zu unerwünschten Kühlmittelleckagen führen kann.

Daher ist es besonders vorteilhaft, jegliche Spalte, die zu einem unkontrollierten Ausblasen von Kühlmittel aus dem In- nenraum führen können, durch geeignete Dichtungsmaßnahmen ab- zudichten. Hierdurch wird eine dichte Verbindung zwischen dem Hitzeschildelement und der Tragstruktur bereitgestellt ist.

Das Dichtelement zwischen der Seitenwand und der Tragstruktur ist dabei eine besonders einfache aber wirksame Maßnahme, um den Kühlmittelverbrauch weiter zu reduzieren. Überdies kann das Dichtelement je nach Ausgestaltung zusätzlich eine Dämp- fungsfunktion übernehmen, so dass die Hitzeschildelemente der Hitzeschildanordnung mechanisch gedämpft auf der Tragstruktur angebracht sind.

Bevorzugt ist dem Innenraum eines Hitzeschildelements eine Prallkühleinrichtung zugeordnet, so dass die Heißgaswand mit- tels Prallkühlung kühlbar ist. Die Prallkühlung ist dabei ei- ne besonders wirkungsvolle Methode der Kühlung der Hitze- schildanordnung, wobei das Kühlmittel in einer Vielzahl von diskreten Kühlmittelstrahlen senkrecht zur Heißgaswand auf die Heißgaswand aufprallt und die Heißgaswand entsprechend vom Innenraum her effizient kühlt.

Vorzugsweise ist dabei die Prallkühleinrichtung durch eine Vielzahl von Einlasskanälen für Kühlmittel gebildet, die in die Tragstruktur eingebracht sind. Durch eine entsprechende Vielzahl von Einlasskanälen, die in einen Innenraum eines

Hitzeschildelements münden, wird bereits auf einfacher Weise eine Prallkühleinrichtung realisiert. Die Tragstruktur hat neben der Funktion die Hitzeschildanordnung zu tragen zu- gleich eine Kühlmittelverteilungsfunktion durch die Vielzahl von Einlasskanälen für das Kühlmittel, die in die Tragstruk- tur eingebracht sind. Die Einlasskanäle können dabei als Boh- rungen in der Wand der Tragstruktur ausgeführt sein.

In bevorzugter Ausgestaltung besteht das Hitzeschildelement aus einem Metall oder aus einer Metalllegierung. Hierzu bie- ten sich insbesondere hochwarmfeste metallische Legierungen auf Eisen-, Chrom-, Nickel-, oder Kobaltbasis an. Da sich Me- talle oder Metalllegierungen gut für einen Gießprozess eig- nen, ist das Hitzeschildelement vorteilhafterweise als ein Gussteil ausgestaltet.

Die Hitzeschildanordnung ist in besonders bevorzugter Ausge- staltung geeignet für den Einsatz bei einer Brennkammeraus- kleidung einer Brennkammer. Eine derartige mit einer Hitze- schildanordnung versehene Brennkammer eignet sich bevorzugt als Brennkammer einer Gasturbine, insbesondere einer statio- nären Gasturbine.

Die Vorteile einer solchen Gasturbine und einer solchen Brennkammer ergeben sich entsprechend den obigen Ausführungen zur Hitzeschildanordnung.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der Zeich- nungen näher erläutert.

Es zeigen hierbei schematisch und teilweise stark verein- facht : Figur 1 einen Halbschnitt durch eine Gasturbine, Figur 2 eine Schnittansicht einer Hitzeschildanordnung ge- mäß der Erfindung,

Figur 3 in einer Detailansicht die Einzelheit III der in Figur 2 gezeigten Hitzeschildanordnung, und Figur 4 eine alternative Ausgestaltung der in Figur 3 ge- zeigten Hitzeschildanordnung.

Gleiche Bezugszeichen haben in den einzelnen Figuren die gleiche Bedeutung.

Die Gasturbine 1 gemäß Figur 1 weist einen Verdichter 2 für die Verbrennungsluft, eine Brennkammer 4 sowie eine Turbine 6 zum Antrieb eines Verdichters 2 und eines nicht näher darge- stellten Generators oder eine Arbeitsmaschine auf. Dazu sind die Turbine 6 und der Verdichter 2 auf einer gemeinsamen, auch als Turbinenläufer bezeichneten Turbinenwelle 8 ange- ordnet, mit der auch der Generator bzw. die Arbeitsmaschine verbunden ist, und die um ihre Mittelachse 9 drehbar gelagert ist. Die in der Art einer Ringbrennkammer ausgeführte Brenn- kammer 4 ist mit einer Anzahl von Brennern 10 zur Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs bestückt.

Die Turbine 6 weist eine Anzahl von mit der Turbinenwelle 8 verbundenen, rotierbaren Laufschaufeln 12 auf. Die Laufschau- feln 12 sind kranzförmig an der Turbinenwelle 8 angeordnet und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen. Weiter- hin umfasst die Turbine 6 eine Anzahl von feststehenden Leit- schaufeln 14, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von Leitschaufelreihen an einem Innengehäuse 16 der Turbine 6 be- festigt sind. Die Laufschaufeln 12 dienen dabei zum Antrieb der Turbinenwelle durch Impulsübertrag vom die Turbine 6 durchströmenden heißen Medium, dem Arbeitsmedium oder dem Heißgas M. Die Leitschaufeln 14 dienen hingehen zur Strö- mungsführung des Arbeitsmediums M zwischen jeweils zwei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen aufeinander- folgenden Laufschaufelreihen oder Laufschaufelkränzen. Ein aufeinander folgendes Paar aus einem Kranz von Leitschaufeln

14 oder einer Leitschaufel 3 und aus einem Kranz von Lauf- schaufeln 12 oder einer Laufschaufelreihe wird dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet.

Jede Leitschaufel 14 weist eine auch als Schaufelfuß be- zeichnete Plattform 18 auf, die zur Fixierung der jeweiligen Leitschaufel 14 am Innengehäuse 16 der Turbine 6 als Wand- element angeordnet ist. Die Plattform 18 ist dabei ein ther- misch vergleichsweise stark belastetes Bauteil, das die äuße- re Begrenzung eines Heißgaskanals für das die Turbine 6 durchströmende Arbeitsmedium M bildet. Jede Laufschaufel 12 ist in analoger Weise über eine auch als Schaufelfuß bezeich- nete Plattform 20 an der Turbinenwelle 8 befestigt.

Zwischen den beabstandet voneinander angeordneten Plattformen 18 der Leitschaufeln 14 zweier benachbarter Leitschaufelrei- hen ist jeweils ein Führungsring 21 am Innengehäuse 16 der Turbine 6 angeordnet. Die äußere Oberfläche jedes Führungs- rings 21 ist dabei ebenfalls dem heißen, die Turbine 6 durch- strömenden Arbeitsmedium M ausgesetzt und in radialer Rich- tung vom äußeren Ende 22 der ihm gegenüberliegenden Lauf- schaufel 12 durch einen Spalt beabstandet. Die zwischen be- nachbarten Leitschaufelreihen angeordneten Führungsringe 21 dienen dabei insbesondere als Abdeckelemente, die die Innen- wand 16 oder andere Gehäuse-Einbauteile vor einer thermischen Überbeanspruchung durch das die Turbine 6 durchströmende hei- ße Arbeitsmedium M, dem Heißgas, schützt.

Die Brennkammer 4 ist von einem Brennkammergehäuse 29 be- grenzt, wobei brennkammerseitig eine Brennkammerwand 24 ge- bildet ist. Im Ausführungsbeispiel ist die Brennkammer 4 als eine so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei deren Vielzahl von in Umfangsrichtung um die Turbinenwelle 8 herum angeordneten Brennern 10 in einem gemeinsamen Brennkammerraum münden. Dazu ist die Brennkammer 4 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Turbinenwelle 8 herum positioniert ist.

Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 1200 °C bis 1500 °C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebspa- rametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermög- lichen, ist die Brennkammerwand 24 auf ihrer dem Arbeitsmedi- um M zugewandten Seite mit einer Hitzeschildanordnung 26 ver- sehen, die eine Brennkammerauskleidung bildet. Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 4 ist zudem für die Hitzeschildanordnung 26 ein Kühlsystem vorgesehen. Das Kühlsystem basiert dabei auf dem Prinzip der Prallkühlung, bei dem Kühlluft als Kühlmittel K unter ausreichend hohem Druck an einer Vielzahl von Stellen an das kühlende Bauteil senkrecht seiner Bauteiloberfläche unter Druck geblasen wird.

Alternativ kann das Kühlsystem auch auf dem Prinzip einer konvektiven Kühlung basieren oder sich dieses Kühlungsprinzip zusätzlich neben der Prallkühlung zunutze machen.

Das Kühlsystem ist bei einem einfachen Aufbau für eine zuver- lässige, flächendeckende Beaufschlagung der Hitzeschildan- ordnung mit Kühlmittel K und zudem zu einem besonders gerin- gen Kühlmittelverbrauch ausgelegt.

Zur näheren Illustration und zur Erläuterung des Kühlungs- konzepts der Erfindung zeigt Figur 2 eine Hitzeschildanord- nung 26, wie sie für den Einsatz als hitzebeständige Ausklei- dung einer Brennkammer 4 einer Gasturbine 1 besonders geeig- net ist. Die Hitzeschildanordnung 26 umfasst Hitzeschildele- mente 26A, 26B, die unter Belassung eines Spalts 45 nebenein- ander an einer Tragstruktur 31 angeordnet sind. Die Hitze- schildelemente 26A, 26B weisen eine zu kühlende Heißgaswand 39 auf, die eine dem Heißgas M zugewandte und im Betrieb von dem Heißgas M beaufschlagte Heißseite 35 sowie eine der Heiß- seite 35 gegenüberliegende Kaltseite 33 aufweist.

Zur Kühlung werden die Hitzeschildelemente 26A, 26B von ihrer Kaltseite 33 her durch ein Kühlmittel K, beispielsweise Kühl-

luft, gekühlt, die dem zwischen den Hitzeschildelementen 26A, 26B und der Tragstruktur 31 gebildeten Innenraum 37 durch ge- eignete Einlasskanäle 41, 41A, 41B, 41C zugestellt wird und in eine Richtung senkrecht zur Kaltseite 33 eines jeweiligen Hitzeschildelements 26A, 26B geleitet wird. Hierbei wird das Prinzip der offenen Kühlung verwendet. Nach Abschluss der Kühlaufgabe an den Hitzeschildelementen 26A, 26B wird die zu- mindest teilweise erwärmte Luft dem Heißgas M zugemischt. Für einen kontrollierten Austritt und eine präzise Dosierung von Kühlmittel K aus dem Innenraum 37 ist ein Kühlmittelauslass- kanal 43 vorgesehen, der von dem Innenraum 37 in den Spalt 45 einmündet. Auf diese Weise ist dem Spalt 45 ein genau vorbe- stimmter Massenstrom an Kühlmittel K zustellbar. Die Vielzahl von Einlasskanälen 41, 41A, 41B, 41C, die jeweils einem In- nenraum 37 eines jeweiligen Hitzeschildelements 26A, 26B zu- geordnet sind, bilden eine Prallkühleinrichtung 53, so dass die Heißgaswand 39 besonders effektiv mittels Prallkühlung kühlbar ist. Die Einlasskanäle 41, 41A, 41B, 41C für das Kühlmittel K sind hierbei durch entsprechende Bohrungen in die Wand 47 der Tragstruktur eingebracht. Die Einlasskanäle 41, 41A, 41B, 41C münden dabei so in den Innenraum 37, dass eine senkrechte Beaufschlagung der Heißgaswand 39 erreicht ist. Nach der Prallkühlung der Heißgaswand 39 strömt das Kühlmittel K aus dem Innenraum 37 in kontrollierter Weise durch den entsprechend dimensionierten Kühlmittelauslasskanal 43 in den Spalt 45, wo eine Sperrwirkung gegenüber dem Heiß- gas M erzielt wird, die die kritische Komponenten, wie bei- spielsweise die Tragstruktur 31, schützt.

Figur 3 zeigt in einer vergrößerten Darstellung die Einzel- heit III der in Figur 2 dargestellten Hitzeschildanordnung.

Das Hitzeschildelement 26A weist eine Seitenwand 49 auf, die gegenüber der Heißgaswand 39 in Richtung der Tragstruktur 31 geneigt ist. Das zum Hitzeschildelement 26A benachbart ange- ordnete Hitzeschildelement 26B ist in gleicher Weise mit ei- ner Seitenwand 49 ausgestaltet. Der Kühlmittelauslasskanal 43 ist als Bohrung durch die Seitenwand 43 des Hitzeschildele-

ments 26A ausgeführt, die die Seitenwand 43 unter einem schrägen, leicht in Richtung der Heißseite 35 ansteigenden Winkel in den Spalt 45 einmündet. Durch die schräge Einmün- dung wird erreicht, dass das Kühlmittel K nach Verrichtung einer Sperrwirkung im Spalt 45 den Spalt 45 möglichst unter Ausbildung eines Kühlfilms aus Kühlmittel K entlang der Heiß- seite 35 des zum Hitzeschildelement 26A benachbarten Hitze- schildelement 26B verlässt. Durch diese zusätzliche Filmkühl- wirkung, die mit der gezielten Zufuhr des Kühlmittels K in den Spalt 45 erreicht ist, ist vorteilhafterweise eine Mehr- fachnutzung des Kühlmittels K für unterschiedliche Kühlzwecke in der Hitzeschildanordnung 26 gegeben.

Für eine wärmedehnungstolerante Befestigung der Hitzeschild- elemente 26A, 26B liegen die Seitenwände 49 nicht direkt auf der Tragstruktur 31 auf, sondern sind über ein jeweiliges Dichtelement 51 mit der Tragstruktur 31 verbunden. Die Dicht- elemente 51 erfüllen dabei sowohl eine Dichtfunktion für das Kühlmittel K als auch eine mechanische Dämpfungsfunktion für die Hitzeschildanordnung 26. Durch das Dichtelement 51 wird verhindert, dass Kühlmittel K in unkontrollierter Weise aus dem Innenraum 37 in den Spalt 45 gelangen und ausgeblasen in Richtung der Heißseite 35 werden kann. Vielmehr bewirkt das Dichtelement 51 eine zusätzliche Verringerung des Bedarfs an Kühlmittel K zur Kühlung de Hitzeschildanordnung 26. Durch die Kombination des Dichtelements 51 mit dem Kühlmittelaus- lasskanal 43 wird eine besonders günstige Kühlmittelbilanz erzielt. Weiterhin wird eine Längsunterströmung entlang der dem Innenraum 37 zugewandten Wand 47 der Tragstruktur 31 durch die jeweils am Innenraum 37 zugeordneten Dichtelemente 51 erreicht. Die dichte Verbindung zwischen dem Hitzeschild- element 26A, 26B und der Tragstruktur 31 über die Dichtele- mente 51 ist eine besonders einfache und wirksame Maßnahme, den Kühlmittelverbrauch weiter zu reduzieren.

Es ist auch möglich, wenn auch fertigungstechnisch aufwendi- <BR> <BR> ger, -wie in Figur 4 dargestellt-, dass sich der Kühlmit-

telauslasskanal 43 durch die Wand 47 der Tragstruktur 31 er- streckt. Auch mit dieser Ausführungsform ist eine gezielte Zustellung des Kühlmittels K in den Spalt 45 nach Verrichtung der Kühlaufgabe an einen Hitzeschildelement 26A möglich. Der Spalt 45 und die den Spalt 45 in der Nähe der Mündung des Kühlmittelauslasskanals 43 begrenzenden Dichtelemente 51 wer- den hierdurch gekühlt. Insbesondere werden die den Spalt 45 begrenzenden Seitenwände 49 zusätzlich konvektiv gekühlt.