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Befestigungskonzept fuer Hitzeschilde in Brennkammern stationaer betriebener Gasturbinen

IP.com Disclosure Number: IPCOM000020577D
Published in the IP.com Journal: Volume 3 Issue 12 (2003-12-25)
Included in the Prior Art Database: 2003-Dec-25
Document File: 2 page(s) / 3M

Publishing Venue

Siemens

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Abstract

Die Brennkammertragstruktur von Gasturbinen ist zum Schutz vor Verzunderungen mit keramischen Hitzeschilden (CHS Ceramic Heat Shield) ausgekleidet. Diese werden in der Ringbrennkammer mit metallischen CHS-Haltern befestigt. Da die CHS-Halterkoepfe sehr nah an der Heissgasstroemung liegen, benoetigt man relativ viel Kuehlluft in der Brennkammer, um die umlaufenden Spalte zu sperren. Dies fuehrt einerseits zu erhoehten Flammentemperaturen und damit hoeheren Stickoxidemissionen, und andererseits entsteht durch den Kuehlluftaustritt an den umlaufenden CHS-Kanten ein grosser Temperaturgradient zwischen CHS-Mitte und CHS-Kanten. Durch diesen Temperaturgradienten werden Spannungen und in deren Folge eventuell auch Risse erzeugt. Nach dem aktuellen Befestigungskonzept werden die CHS mit den CHS-Haltern nacheinander in Reihe montiert und koennen nicht einzeln ausgebaut werden. Bei sogenannten Brummereignissen kann es zum Abheben der CHS von der Tragstruktur kommen. In einem solchen Fall schlagen die CHS, trotz kaltseitig aufgeklebter keramischer Matten, relativ hart auf der Tragstruktur auf und koennen beschaedigt werden. Die Idee besteht nun darin, die CHS durch Einzelbefestigung von der kalten Seite derart anzubringen, dass die Befestigungselemente nicht mehr dem Heissgas ausgesetzt sind und somit auch keiner Kuehlung mehr beduerfen. Durch diese Art der Befestigung koennen zwischen den CHS Ueberlappungen (Vor- und Rueckspruenge) erzeugt werden, so dass die Spalte zwischen den CHS minimiert werden und damit keine Sperrung gegen das Heissgas mehr erforderlich ist. Durch die Einzelbefestigung der CHS koennen sie auch einzeln gefedert gelagert werden. Dies fuehrt in der Folge u.a. zu geringerem Kuehlmittelverbrauch und damit geringeren Stickoxidemissionen, zu naeherungsweise adiabatischen CHS-Kanten und letztlich zu geringeren Thermospannungen und durch die Einzelbefestigung zu geringeren Montage- bzw. Demontagezeiten.

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Befestigungskonzept fuer Hitzeschilde in Brennkammern stationaer betriebener Gasturbinen

Idea: Olga Deiss, DE-Muelheim; Marc Tertilt, DE-Muelheim

Die Brennkammertragstruktur von Gasturbinen ist zum Schutz vor Verzunderungen mit keramischen Hitzeschilden (CHS Ceramic Heat Shield) ausgekleidet. Diese werden in der Ringbrennkammer mit metallischen CHS-Haltern befestigt. Da die CHS-Halterkoepfe sehr nah an der Heissgasstroemung liegen, benoetigt man relativ viel Kuehlluft in der Brennkammer, um die umlaufenden Spalte zu sperren. Dies fuehrt einerseits zu erhoehten Flammentemperaturen und damit hoeheren Stickoxidemissionen, und andererseits entsteht durch den Kuehlluftaustritt an den umlaufenden CHS- Kanten ein grosser Temperaturgradient zwischen CHS-Mitte und CHS-Kanten. Durch diesen Temperaturgradienten werden Spannungen und in deren Folge eventuell auch Risse erzeugt. Nach dem aktuellen Befestigungskonzept werden die CHS mit den CHS-Haltern nacheinander in Reihe montiert und koennen nicht einzeln ausgebaut werden. Bei sogenannten Brummereignissen kann es zum Abheben der CHS von der Tragstruktur kommen. In einem solchen Fall schlagen die CHS, trotz kaltseitig aufgeklebter keramischer Matten, relativ hart auf der Tragstruktur auf und koennen beschaedigt werden.

Die Idee besteht nun darin, die CHS durch Einzelbefestigung von der kalten Seite derart anzubringen, dass die Befestigungselemente nicht mehr dem Heissgas ausgesetzt sind und somit auch keiner Kuehlung mehr beduerfen. Durch diese Art der Befestigung koennen zwischen den CHS Ueberlappungen (Vor- und Rueckspruenge) erzeugt werden, so dass die Spalte zwischen den CHS minimiert werden und damit keine Sperrung gegen das Heissgas mehr erforderlich ist. Durch die Einzelbefestigung der CHS koennen sie auch einzeln gefedert gelagert werden. Dies fuehrt in der Folge u.a. zu geringerem Kuehlmittelverbrauch und damit geringeren Stickoxidemissionen, zu naeherungsweise adiabatischen CHS-Kanten und letztlich zu geringeren Thermospannungen und durch die Einzelbefestigung zu geringeren Montage- bzw. Demontagezeiten.

Moegliche Ausfuehrungen dieser Idee sind in den Abbildungen 1 bis 3 gezeigt. Dabei zeigt Abbildung 1 ein bisheriges Befestigungssystem fuer die CHS, die Abbildung 2 ein Ausfuehrungsbeispiel des neuen Haltekonzept und Abbildung 3 moegliche Ausfuehrungsvarianten dieses Haltekonzepts.

Abb. 1: Bisheriges Befestigungssystem fuer die CHS

© SIEMENS AG 2003 file: 2003J17005.doc page: 1

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Abb. 2: Neues Haltekonzept fuer die CHS - Ausfuehrungsbeispiel ist ein Bajonettverschluss

Abb. 3: Varianten des obigen Haltekonzepts

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