冷却空气优化的金属隔热元件的制作方法

本发明涉及一种用于在隔热罩中使用的隔热元件，隔热元件特别是用于铺衬燃气轮机的燃烧室壁。

背景技术：

在燃气轮机的燃烧室中出现非常高的温度，在没有有效的保护措施时，该温度会导致燃气轮机直接损坏。因此，在已知方式中使用隔热罩，隔热罩使得热的燃烧室与该隔热罩后面受保护以防止热损坏的结构之间分离。为此，利用陶瓷隔热瓦和/或金属隔热元件来铺衬隔热罩。

隔热瓦或隔热元件通常具有扁平的或略微拱形的形状，该形状具有指向燃烧室的热侧和相对的冷侧以及环绕边缘。它们分别被固定在隔热瓦或隔热元件下方布置的承载结构上。在并排的多重布置中，形成尽可能闭合的隔热罩。在此，多个隔热瓦或隔热元件彼此间隔定位，从而在相邻的隔热元件的边缘之间分别形成侧隙。为了能够承受隔热瓦或隔热元件与布置在其下的承载结构之间的不同热膨胀，隔热瓦或隔热元件之间的侧隙是必需的。

然而，单独仅使用隔热瓦或隔热元件通常不足以防止渐进性损坏。因此，在已知方式中，使用冷却空气以防止临界构件温度的出现。尽管隔热瓦和隔热元件具有较高的耐温性，然而在燃气轮机运行时尤其需要冷却金属的隔热元件。特别地，由过热造成的构件损坏的风险存在于用于固定隔热瓦或隔热元件的固定装置中，以及存在于隔热瓦或隔热元件之间的侧隙区域中的隔热罩的承载结构处，以及存在于隔热罩与后续结构的过渡部中的端部处，其中该过热是由从燃烧室起的所谓热气体进入而造成的。为了防止热气体进入，在已知的方式中，将冷却空气有针对性地引入到侧隙中，从而保护位于隔热瓦或隔热元件下方的承载结构和固定装置免受过热。

然而，在实践中经常存在冷却空气在所有侧隙上分布不均匀的问题。这一方面是由于在单个隔热瓦或隔热元件之间的间隙宽度不可避免地发生波动，另一方面尤其是由于所需的固定装置造成的冷却空气分布不均匀，该分布不均匀是常态而不是例外。此外，在从燃烧室的隔热罩到后续的涡轮机的入口部的过渡中，也存在特殊的问题。这导致在一些区域中冷却不充分，而在其他区域中冷却空气被浪费。

为此，文献wo2013/135702a2公开了一种金属隔热元件，该金属隔热元件在冷侧上被加载冷却空气。为了将冷却空气有利地分配到侧隙中，两个对置的边缘区段具有被布置成一排的多个冷却空气孔。通过冷却空气孔，冷却空气被直接吹入侧隙中，从而有利地阻挡热气体的进入。

尽管通过以上提到的、具有设置在边缘区段的间隙处中的冷却空气口的隔热元件，在间隙对于热空气进入的拦截方面实现了改善，但是，正如在实践中所出现的那样，热空气进入的风险尤其在经通风的边缘区段的端部处会增加。

技术实现要素：

因此本发明的任务在于，在考虑将隔热元件布置成多排的情况下，改善冷却空气在间隙长度上的分布。

所提出的任务通过根据权利要求1教导的根据本发明的隔热元件来实现。

在权利要求10中提出了使用根据本发明的隔热元件的根据本发明的隔热罩。

有利的实施方式是从属权利要求的主题技术方案。

这种类型的隔热元件形成隔热罩的组成部分，其中该隔热罩尤其被用于设置在燃气轮机的燃烧室中。在这里，在隔热罩上使用了多个这种类型的隔热元件。隔热元件首先包括一个壁部。该壁部具有可施加热介质的热侧以及与该热侧相对的冷侧。作为在燃烧室中使用的隔热罩的组成部分，隔热元件的热侧就其而言朝向燃烧室的具有热气体的内部，而冷侧相反地从燃烧室背离地指向。在这里，壁部可以以最简单的形式平面地构造，但是也可以具有一次或多次拱曲的形状。

至少隔热元件具有包围壁部的环绕边缘。在该环绕边缘处布置有至少两个彼此相对的第一边缘区段。在这里，第一边缘区段沿着纵向方向彼此基本平行地延伸。只要是具有矩形形状的平整壁部，则第一边缘区段即在纵向方向上直线地相互平行延伸。在壁部为拱形形状的情况下，第一边缘区段就其而言彼此大致平行地延伸，并且在这里基本沿纵向方向延伸。第一边缘区段至少被构造为，使得在彼此并列布置三个相同的这种类型的隔热元件的情况下，在相邻的第一边缘区段之间分别产生基本均匀的间隙。隔热元件的第一边缘区段在这里从热侧经过冷侧延伸直到接片上侧。

在此，在第一边缘区段中分别存在多个冷却空气口，该多个冷却空气口在边缘区段的长度上分布，并从相应边缘区段的内侧延伸到相应边缘区段的外侧。因此，在将冷却空气引入到壁部的冷侧上时，冷却空气可以从边缘区段的内侧穿过边缘区段到达外侧，从而进入相邻隔热元件之间的间隙中。

根据本发明，现在加入至少一个冷却空气袋，以进一步优化壁部中的间隙内的冷却空气分配。在此，该冷却空气袋被布置在冷侧上，并且因此从冷侧起朝向热侧的方向埋入壁部中。在此，该冷却空气袋被布置在第一冷却空气口的区域中。在此必要的是，冷却空气袋从内侧起在横向方向上延伸，即，基本上横向于内侧延伸。为了实现所需的冷却空气分配改进，需要将第一冷却空气口至少部分布置在冷却空气袋内。因此，被导入到冷侧上的冷却空气可以穿过冷却空气袋而导入到第一冷却空气口中。

在使用被加入到壁部中的冷却空气袋的情况下，通过修改冷却空气口、特别是第一冷却空气口的通常布置，可以针对性地在第一冷却空气口的区域中实现将冷却空气向间隙引入的改进。因此，可以实现更好地调节在间隙的延伸上的冷却空气分配。这进而得到的优点是，需要较少的冷却空气消耗，即可有效地避免热气体进入。

当冷却空气袋相对于第一冷却空气口具有有利的尺寸时，实现了冷却空气袋的有利构造。因此相比而言，考虑将冷却空气口的最小自由横截面作为冷却空气横截面来使用。有利地，在这里，冷却空气袋至少部分在其从第一边缘区段的内侧直到冷却空气袋的端部的延伸中具有为冷却空气横截面的至少0.5倍和最大10倍的第一横截面。在这里，第一横截面被视为平行于所选择的冷却空气横截面。在这里特别有利的是，冷却空气袋的第一横截面对应于冷却空气横截面的至少一倍和最大5倍。通过冷却空气袋的这种有利构造一方面确保的是，充足的冷却空气能够有效地通过冷却空气袋输入第一冷却空气口；另一方面则避免了冷却空气袋达到如下不必要的尺寸，该尺寸对于改善冷却空气分配不再有效。

与此类似，有利的是，冷却空气袋在第一冷却空气口的区域中具有第二横截面，其横向于所选择的冷却空气横截面而言是该冷却空气横截面的至少2倍和最大20倍。在这里，所选择的第二横截面位于一个平面中，该平面基本上延伸穿过冷却空气口的中部，并且基本上横向于冷却空气横截面定向。在这里尤其有利的是，对于冷却空气袋的第二横截面，选择冷却空气横截面的至少2倍和最大10倍。

此外有利的是，在考虑隔热元件尺寸的情况下，确定冷却空气袋的尺寸。在此有利的是，冷却空气袋在横向于第一边缘区段的内侧的横向方向上具有延伸，该延伸是隔热元件的宽度的至少0.05倍和最大0.2倍(在与冷却空气袋延伸的相同方向上测量)。在将冷却空气从冷侧引入到冷却空气袋中、以用于导送穿过第一冷却空气口方面，将冷却空气袋设置在这样的尺寸关系内被证明是有利的。

在此同样有利的是，冷却空气袋具有从冷侧起的深度，该深度是壁部的材料厚度(从冷侧起直到相同位置处的热侧)的至少0.2倍和最大0.5倍。由此，一方面提供足够的横截面，以用于实现用于将冷却气流导送通过第一冷却空气口的冷却空气袋，并且也使得壁部不会由于不必要地加入冷却空气袋而弱化。

只要保证了从冷侧通过冷却空气袋进入到第一冷却空气口中的足够流动，冷却空气袋的具体实施方式暂且不重要。然而，为此有利的是，冷却空气袋的环绕边缘被截平地构造，或者在通往冷侧的过渡部中被圆化。

根据本发明，必要的是，第一冷却空气口被区段式布置在冷却空气袋的区域中。在这里有利的是，冷却空气口的位于内侧的横截面的至少25％和最大75％被布置在冷却空气袋内。特别有利的是，将第一冷却空气口布置在具有在冷却空气袋内的至少40％但最大60％的内侧处。这几乎导致第一口空气口被布置在冷侧中间，使得第一口空气口的大约一半被布置在冷侧上方，并且第一冷却空气口的另一半被布置在冷侧下方。

将冷却空气袋与第一冷却空气口结合使用的构造方案导致的是，第一冷却空气口与冷却空气袋基底有利地齐平布置。然而与此不同的是，当冷却空气袋的基底与第一冷却空气口存在小距离时，则没有缺点。有利地，该距离最大是冷却空气袋的深度的0.5倍，即，从冷侧到冷却空气袋基底的距离。特别有利的是，从基底到第一冷却空气口的距离最大为冷却空气袋深度的0.25倍。

冷却空气口(第一冷却空气口以及其他冷却空气口)的实施方式和定向暂且不重要。在这方面，可以参考已知的现有技术。在这里有利的是，冷却空气口从第一边缘区段的内侧延伸到第一边缘区段的外侧，并且基本垂直于内侧或外侧定向。对此，+/-15度的角度偏差是不重要的。

关于第一边缘区段的外侧的定向以及第一边缘区段的内侧的定向方面，各种可行方案同样可供使用，其中有利地，外侧以及内侧也基本垂直于热侧定向并且基本垂直于冷侧定向。在这方面，当存在+/-15度的角度偏差时，也是不重要的。

在此还有利的是，第一边缘区段的材料厚度至少是壁部的材料厚度的0.5倍，并且最大是壁部的材料厚度的2倍。这导致有利的强度，并且避免不必要的热应力。特别有利的是，第一边缘区段的材料厚度基本上对应于壁部的材料厚度。

特别有利地，隔热元件在环绕边缘处具有另外的第二边缘区段，该第二边缘区段将第一边缘区段的各一个端部彼此连接。在这里，第二边缘区段也从热侧延伸超出冷侧。与第一冷却空气口以及另外的冷却空气口相关地，在此，第一冷却空气口(以及从属地靠近第二边缘区段的冷却空气袋)被布置为一排冷却空气口中的第一个。这利用了根据本发明的具有冷却袋的实施方式的特别优点，即，通过将具有冷却空气袋的第一冷却空气口作为多个冷却空气口中的第一冷却空气口、来布置在第二边缘区段前方，在隔热元件的角部的区域中实现了有利的冷却空气供应。

为此还有利的是，隔热元件包括布置在冷侧上的肋。该肋也适于在两个第一边缘区段之间连接并且突起地构造为在冷侧上，其中该肋间隔地基本平行于第二边缘区段延伸。具有冷却空气袋的第一冷却空气口在此位于肋和第二边缘区段之间。在特别有利的方式中，另外的冷却空气口布置在肋的相对侧部上，即，布置在肋的背离于第二边缘区段的侧部上。在使用布置在冷侧上的、在第一冷却空气口旁边的肋的情况下，这种有利的构造方案实现了：将空气有利地流动到第一冷却空气口中，以用于在隔热元件的角部区域中针对性地通风。

第二边缘区段的具体实施方式以及肋的具体实施方式暂且不重要，其中它们以特别有利的方式基本上与第一边缘区段一致地构造，并且就此而言同样延伸到第一边缘区段的接片上侧。在此，它们具有与第一边缘区段基本上一致的材料厚度，并且也基本上垂直于热侧或基本上垂直于冷侧定向，其中+/-15度的角度偏差也被视为是不重要的。

根据本发明的隔热元件构成使用根据本发明的隔热元件的新的隔热罩。在这里，隔热罩特别被设置成在燃气轮机的燃烧室中使用。在此，隔热罩至少部分地形成燃烧室的壁。在这里，隔热罩具有承载结构，在该承载结构上固定了多个隔热瓦和/或隔热元件，其中至少一个隔热元件采用根据本发明的实施方式或者对此有利的实施方式。在这里在加载各一个间隙的情况下，隔热瓦或隔热元件扁平地彼此邻接布置。通过使用根据本发明的隔热元件而实现了改进的隔热罩，这是因为目前可以改善在两个隔热元件之间的间隙中的冷却空气分配。

在这里尤其有利的是，在隔热罩中，隔热元件的完整环绕排分别设有根据上述实施方式的隔热元件，并且就此而言，在第一冷却空气口中分别具有至少一个冷却空气袋。在此，需要将根据本发明的隔热元件布置在环绕排中，使得相应的隔热元件的第一边缘区段彼此相邻地布置在间隙处，其中第二边缘区段彼此定位在延伸部中。

此外，特别有利的是，根据本发明的隔热元件的环绕排在尤其有利的隔热罩中被布置在隔热罩的下游端部处。在这里，单个隔热元件被定向为，使得隔热元件的两个边缘区段指向隔热罩的下游端部处。

通过隔热罩的特别有利的实施方式，在隔热罩的端部区域中，尤其在燃烧室的输出端处的间隙中，获得了特别有利的冷却空气供应，其中该隔热罩在隔热罩的端部处具有存在于每个单个隔热元件处的冷却空气袋，该冷却空气袋具有第一冷却空气孔。特别是在燃气轮机中通往燃烧室后续的导叶的过渡部中的这个区域，避免了热气体进入到导叶前方的过渡部中的隔热元件的角部中。

附图说明

在下面的附图中，示意绘出了隔热元件的实施例以及其在燃烧室中的布置。图示：

图1示意性地示出具有隔热罩的燃气轮机的燃烧室；

图2在对冷侧的透视图中示出了根据本发明的隔热元件的示例性实施方式；

图3示出了对根据图2的隔热元件的角部区域的细节视图。

具体实施方式

图1示意性并且示例性示出了燃烧室26的燃烧系统的截面。燃烧器27在燃烧室26的上部区域中布置在入口中。在那里实现燃料与压缩空气的混合。在燃烧室26中发生燃烧。通过燃烧室26的下游端部24处的出口，热的燃烧气体进入涡轮机中，燃料气体在涡轮机中接触第一静止导叶28。为了防止结垢，利用陶瓷隔热瓦23和金属隔热元件01铺衬燃烧室26，金属隔热元件01和陶瓷隔热瓦23被固定到隔热罩21的承载结构22处。

图2示意性地并且示例性地示出了在根据本发明的实施方案中的金属隔热元件01，该金属隔热元件在用于燃气轮机的燃烧室26的隔热罩21中而被使用。隔热元件01包括壁部03，该壁部03具有可加载热介质的热侧04、与热侧04相对的冷侧05以及环绕边缘。壁部具有拱形形状，并且基本上被构造为矩形。

在环绕边缘处存在两个彼此相对的第一边缘区段06，该第一边缘区段06从热侧04经过冷侧05延伸直到接片上侧07。第一边缘区段06在这里在隔热元件01的纵向方向上延伸。在这个实施例中，在示例性应用在图1所示的隔热罩中时，纵向方向近似对应于流动方向。此外，两个相对的第一边缘区段06均具有从冷侧05向接片上侧07延伸的内侧08，并且均具有从热侧04向接片上侧延伸的外侧09。此外，第二边缘区段16位于环绕边缘处，第二边缘区段16在隔热元件01的角部18处使相对的第一边缘区段06的两个端部彼此相连接。第二边缘区段16基本上与第一边缘区段06构造一致，并且横向于第一边缘区段06延伸。

该实施例还具有与第二边缘区段16平行延伸和间隔延伸的肋17，肋17被布置在冷侧05上并且也使两个第一边缘区段06彼此相连接。

沿着第一边缘区段06分别存在多个冷却空气口11、12，其中第一冷却空气口12作为一排中的多个冷却空气口11、12的第一个而被布置在第二边缘区段16和肋17之间，而所有其他的冷却空气口11被布置在肋17的背离于第二边缘区段16的侧部处。在第一冷却空气口12的区域中，在壁部03中从冷侧04起存在冷却空气袋13。

图3在图2中的隔热元件01的角部18的区域中，在详细视图中示出了第一冷却空气口12和冷却空气袋13。冷却空气袋13从内侧08起横向于内侧08延伸，即，基本上对应于第一冷却空气口12的取向延伸。在该实施例中，第一冷却空气口12的大约一半被布置在冷却空气袋13内，即，第一冷却空气口12的中部大约位于冷侧04的高度上。

冷却空气袋13的尺寸被选择成，使得足够的冷却空气能够流入到第一冷却空气口12中，然而不会不必要地削弱壁部03。因此在这个实施例中，冷却空气袋13的深度稍微大于第一冷却空气口12的深度。此外，冷却空气袋13在平行于内侧08的平面中的横截面(冷却空气孔11、12基本上横向于内侧08或外侧08定向)大约是第一冷却空气孔12的最小冷却空气横截面的两倍那么大，其中横截面朝冷却空气袋13的端部方向越来越小。横向于内侧(即，朝第一冷却空气口12的方向)的冷却空气袋13的长度是在第一冷却空气口12的区域中的第一边缘区段06的材料厚度的约2.5倍。

返回到图1，在这个实施例中规定，隔热元件01设置在隔热罩21的位于下游的端部24处，其中第一边缘区段06分别经过间隙彼此相邻定向。为此，在示例中，第二边缘区段16与位于角部18处的第一冷却空气口12同样布置在下游，第一冷却空气口具有冷却空气袋13。即，隔热元件01被定向为以第二边缘区段16朝向导叶28。