在暴露表面处具有冲击冷却的侧面涂覆的热屏蔽元件的制作方法

本发明涉及热屏蔽元件、特别是用于包覆燃烧室壁，并且涉及由热屏蔽元件构成的热屏蔽装置。本发明还涉及用于制造热屏蔽元件的方法。

背景技术：

为了保护燃烧室的结构免受高温的伤害，可以例如用陶瓷瓦(陶瓷热屏蔽)和/或金属瓦(金属热屏蔽)将其包覆。热屏蔽元件一般具有平面形式，有着面对燃烧室的热侧面和相反的冷侧面及外周边沿，其中彼此挨着布置的多个热屏蔽元件形成热屏蔽。在该背景下，热屏蔽元件彼此间隔开地定位以便在各情况中在相邻的热屏蔽元件的边沿之间形成侧向间隙。

燃气轮机的操作期间的非常高的热负载(特别是局部热峰值)结合组成部件的不充足的冷却导致涂层的过早磨损并且例如剥落。在更高温度下操作的上燃气轮机膨胀级增强了该效果并因此磨损机制也被进一步增强。用于延长热屏蔽的服务寿命的一个措施是冷却空气的使用。该冷却空气特别地被引入侧向间隙内，以便防止热燃烧气体的入侵。然而，供给的冷却空气不总是最佳的。在一些区域中，冷却不充分，在其他区域中冷却空气被浪费，这也应该避免。特别是两个相邻的热屏蔽元件之间的侧向间隙常常没有很好地冷却或者没有很好地密封以对抗热气体的入侵。

为此，wo2004/106809a1公开了一种具有热屏蔽元件的燃烧室的实施例，其中冷却空气作用在这些热屏蔽元件的后侧面上，热屏蔽元件(惯例地)彼此间隔开地布置。为了降低用于所使用的金属热屏蔽元件的负载，在实际的热屏蔽元件上设置陶瓷涂层。

为了改善侧向间隙中的冷却而不消耗过多的冷却空气，根据de102010204103a1的实施例在使用金属热屏蔽元件时选择了侧向边沿在后侧面上延伸、越过冷侧面并在该背景下在相对的侧向边沿中创建一排冷却空气孔的实施例。冷却空气被供给在热屏蔽元件的冷侧面上，并且部分穿过冷却空气孔离开到侧向间隙内，并因此可以防止热气体的入侵。

然而，已发现该实施例具有缺陷：当热屏蔽元件挨着彼此布置时，穿过一个热屏蔽元件的冷却空气孔离开的冷却空气迎面地遇到穿过相邻的热屏蔽元件的冷却空气孔离开的冷却空气。这损害了冷却空气在侧向间隙的长度上的均匀分布。

技术实现要素：

因此本发明的目的是提供一种上面提到类型的热屏蔽元件和热屏蔽装置，使其具有较长的服务寿命、特别是改进冷却空气到侧向间隙内的引入。本发明进一步的目的涉及用于制造这样的热屏蔽元件的方法。

目的通过类似地利用如权利要求1和3所教导的根据本发明的热屏蔽元件来实现。为此，权利要求6和7指示了根据本发明的热屏蔽装置，以及权利要求9涉及用于制造根据本发明的热屏蔽元件的根据本发明的方法。

根据本发明的热屏蔽元件的和热屏蔽装置的有利实施例被指示在从属权利要求中。

在用于包覆燃气轮机的燃烧室的热屏蔽装置中一般使用通用热屏蔽元件。这里，热屏蔽元件具有可暴露于热介质的热侧面，和与热侧面相反的冷侧面，及邻接热侧面和冷侧面的外周边沿(rim)。在通用热屏蔽中，该边沿从热侧面延伸至超过冷侧面的面。这里，被升高高于冷侧面的边沿具有内侧面和外侧面并且包括多个边沿区段。在该背景下，针对形成外周边沿的独立边沿区段中的每一个，不必要都从热侧面行进延伸超过冷侧面。然而有必要的是，至少两个相对的边沿区段延伸超过冷侧面并且在这样做时具有从内侧面延伸至外侧面的冷却空气开口。通过与已知的现有技术类比，因此冷却空气可以经由冷却空气开口被吹送到两个热屏蔽元件之间的侧向间隙内。

在热屏蔽元件的根据本发明的第一实施例中，通过将一个边沿区段的冷却空气开口相对于相对的边沿区段的冷却空气开口偏移布置，实现了到侧向间隙内的空气流动的改善。如果以示例的方式考虑具有左手边沿区段的热屏蔽元件，其中第一冷却空气孔在与边沿区段的端部相距(例如与上面的边沿区段)距离x处，并且随后的冷却空气开口之间的距离在各情况中是x，那么将有必要在根据本发明的第一实施例中将相对的右手边沿区段的第一冷却空气孔布置在与跟随上面的边沿区段的示例的边沿区段的端部相距近似0.5x的距离处或在近似1.5x的距离处，随后的冷却空气开口也布置在相对于彼此的近似x的距离处。

相对的边沿区段上的冷却空气开口的偏移布置避免了当同样的热屏蔽元件挨着彼此布置时冷却空气直接、迎面的喷出到之间的侧向间隙内。

在热屏蔽元件的根据本发明的第二实施例中，相对的边沿区段的外侧面设置有热障涂层。在该背景下，热障涂层的设计是先前的不重要的。首先，该示例性实施例中的热屏蔽元件至少由基底构成，其中外侧面上的具有冷却空气开口的至少相对的边沿区段具有不同的热障涂层。在该背景下，也可以提供为整个热侧面和/或整个外周边沿设置有相同的(或相似的)热障涂层。

本发明因此提供了实现具有至少涂覆的侧向表面的热屏蔽元件。热障涂层使下层区域与高的燃烧温度隔离并确保基底材料的温度保持在非临界范围中。仅仅涂覆热屏蔽元件的侧向表面主要降低了热的传递并因此降低了热到热屏蔽元件内的引入，但是没有提供免受到热气体入侵挨着彼此布置的两个热屏蔽元件之间的间隙内的伤害的保护。为此原因，已知的冷却空气开口被保留以便有效地密封间隙以防热气体入侵。然而，这导致如下问题：从冷却空气开口到热障涂层上的冷却喷射会导致这个区域中的涂层龟裂或剥落。为了有效地防止这种情况，根据本发明的第二实施例提供了在热屏蔽元件的侧向壁上的暴露表面。这些暴露表面是未涂覆的区域，并且反而是直接由基底形成的暴露表面。在该背景下，暴露表面与相对的边沿区段上的冷却空气开口交替地布置。

为了既实现侧向间隙中的冷却空气的有利分布并且还避免对相对的边沿区段的区域中的热屏蔽元件造成损伤，在一个特别有利的实施例中，根据本发明的第一实施例与根据本发明的第二实施例结合。

因此，特别有利的热屏蔽元件在相对的边沿区段两者上交替地具有冷却空气开口和暴露表面，其中此外冷却空气开口和暴露表面相对于彼此的位置从相对的边沿区段中的一个边沿区段替换为相对的边沿区段中的另一个边沿区段。

在该背景下，如果暴露表面被定位成使得来自相邻的热屏蔽元件的冲击冷却喷射恰好落在这些暴露表面上则是进一步特别有利的。这避免了冲击冷却喷射引起涂层的剥落。这确保间隙的有效密封和热屏蔽元件的侧向壁的有效冷却。

此外，在所创建的暴露表面中，如果在热障涂层的沉积之前，基底在边沿区段上具有尺寸和位置对应于期望的暴露表面的升高部分，则是有利的。在该背景下，这些升高部分的高度可以匹配随后沉积的热障涂层，使得有利的热屏蔽元件在相对的边沿区段的外侧面上呈现为热障涂层和暴露表面的平面状表面。

原则上制造热屏蔽元件的基底材料是不重要的。然而，如果选择金属基底材料，则根据本发明的第一或第二实施例的或者对其有利的实施例的使用进而是特别有利的。

使用根据本发明的多个热屏蔽元件，在当这些元件彼此相邻布置时产生了根据本发明的第一热屏蔽装置。在该背景下，如果在侧向间隙处热屏蔽元件的一个边沿区段的冷却空气孔与挨着的热屏蔽元件的横跨侧向间隙相邻的边沿区段的暴露表面相对地定位，则是特别有利的。该布置确保实现根据本发明的热屏蔽元件的特定优点。

与此类似，根据本发明的第二热屏蔽装置准许在侧向间隙处的一个边沿区段中的冷却空气孔相对于挨着的热屏蔽元件的相邻边沿区段中的冷却空气孔偏移的定位。然而在该背景下，与热屏蔽装置的根据本发明的第一实施例不同，相应的热屏蔽元件设置为不具有不同的相对的边沿区段。而是，为此使用两个不同的热屏蔽元件，即，第一热屏蔽元件和第二热屏蔽元件，其中相对的边沿区段中的冷却空气孔的位置是不同的，使得当第一热屏蔽元件和第二热屏蔽元件交替地布置时，顺次的热屏蔽元件(在该情况中第一和第二热屏蔽元件交替)的两个相邻边沿区段的冷却空气开口的偏移序列再次准许偏移的冷却空气流动。第一和第二相互不同的热屏蔽元件的通用形式在该背景下再次对应于上面提到的根据本发明的热屏蔽元件的第一和/或第二实施例的通用形式。

在该背景下，如果第一和/或第二热屏蔽元件根据热屏蔽元件的根据本发明的第二实施例来体现则是特别有利的。在该情况中，第一热屏蔽元件和第二热屏蔽元件两者在相对的侧向边沿上交替地具有冷却空气开口和暴露表面，这些冷却空气开口和暴露表面的位置与考虑到单独热屏蔽元件时在相对的边沿区段上的相同，但是从第一热屏蔽元件和第二热屏蔽元件彼此是不同的，即冷却空气开口和暴露表面的位置被交换。

热屏蔽元件的根据本发明的第二实施例的有利细化可以同样有利地用在根据本发明的第二热屏蔽元件的背景下。

根据本发明的热屏蔽装置的根据本发明的热屏蔽元件的创建要求新型制造方法。为此，用于制造热屏蔽元件的新创建的本发明方法导致根据第二本发明实施例的热屏蔽元件的创建。

在此方面，使用用于制造具有上面描述的通用形式的热屏蔽元件的通用方法。

与用于创建现有技术热屏蔽元件的现有技术方法形成对比，制造由基底材料形成的基底元件牵涉到当铸造热屏蔽元件时设置在外侧面上的至少一个边沿区段上的升高部分。在该背景下，这些部分的高度的尺寸被有利地做成使得在当随后将涂层施加到相对的边沿区段的至少外侧面上时的涂覆之后，在外侧面上形成有沉积出的热障涂层和由升高部分形成的暴露表面所构成的平面状表面。

在暴露表面上具有冲击冷却的根据本发明的侧面涂覆的热屏蔽元件结合了多个方面并因此导致改善了的设计。一方面，侧面涂层降低了热的传递并因此降低了热到热屏蔽元件内的引入。另外，冷却空气开口将两个热屏蔽元件之间的间隙密封。在冷却空气喷射所冲击的位置处引入暴露表面提供了热屏蔽元件的支撑结构的冷却并且同时提供了鲁棒性设计，而没有热保护涂层在这些点处的剥落或龟裂的风险。

根据本发明的热屏蔽元件和根据本发明的热屏蔽装置准许了一种解决方案，由于不复杂而在技术上实现简单，并且成本有效的，避免角部的过热并在冷却空气的平衡上没有负面效果，即，本发明不会造成冷却空气的增加的消耗。与用于冲击冷却的暴露表面结合的侧面涂层准许改善了的冷却和关于热障涂层中的剥落或龟裂鲁棒性的设计。此外，经修改的设计是服务友好的，使得热屏蔽元件的几何形状可以保持不变。

附图说明

将参照附图通过示例的方式更详细地说明本发明。附图示意性且未按比例地示出：

图1示出根据本发明的第一实施例的热屏蔽元件，

图2示出热屏蔽装置的两个热屏蔽元件之间的间隙，

图3示出涂覆之前热屏蔽元件的作为小的升高部分的暴露表面，

图4示出涂覆之后的热屏蔽元件的平面的侧向表面，

图5示出与图1中示出的实施例相似的第二热屏蔽元件，和

图6示出通过与图4相似的第二热屏蔽元件的侧向表面。

具体实施方式

图1示意性且通过示例的方式示出用于根据本发明的热屏蔽元件1的第一示例性实施例。热屏蔽元件1基本上是金属的，即，它包括金属主体。它具有可暴露于热介质的热侧面2和与热侧面2相反的冷侧面3。邻接热侧面2和冷侧面3的是外周边沿4，外周边沿4延伸超过冷侧面3的面，具有内侧面5和外侧面6及多个边沿区段7a、7b、7c和7d。在边沿4中，冷却空气开口8a布置在边沿区段7a中并且冷却空气开口8c布置在边沿区段7c中，分别从内侧面5延伸至外侧面6。冷却空气开口8a、8c的布置被选择成使得边沿区段7a的冷却空气开口8a相对于相对的边沿区段7c的冷却空气开口8c偏移地布置。根据本发明，至少两个相对的边沿区段7a和7c的外侧面6具有热障涂层9。该热障涂层9至少在相对的边沿区段7a、7c中的布置有冷却空气开口8a、8c的地方被中断并且在这些地方形成暴露表面10a。

图2示出第一热屏蔽装置11的细节以及(在关系到细节的限度内)相匹配的第二热屏蔽装置21，并且特别是两个热屏蔽元件1或22与23之间的间隙13，两个热屏蔽元件挨着彼此布置成使得热屏蔽元件1或22的冷却空气开口8a或26处于与相邻的热屏蔽元件1或23的暴露表面10c或28相对，这通过两个相邻的热屏蔽元件1或22、23的冷却空气开口8a、8c或26、27在间隙13处相对于彼此偏移地布置来实现。

图3示出铸造之后且用热障涂层9涂覆外侧面6之前的热屏蔽元件1的细节。在示出的边沿区段7上，可以在外侧面6上看见升高部分12，这些升高部分的端面稍后形成暴露表面10。升高部分12的高度理想地等于仍待沉积到周围表面上的热障涂层9，使得在涂覆之后(也就是说在热障涂层9的定位之后)在外侧面6上产生平面状表面，如图4所示。对于可选热屏蔽装置21的第一和第二热屏蔽元件22、23的情况也是如此。

图5描绘了第二热屏蔽元件23，除了冷却空气孔27和暴露表面29的位置外，使第一热屏蔽装置的热屏蔽元件1与第二热屏蔽装置21的第一热屏蔽元件22相匹配，该示例性实施例是基于此的，在这方面还请见图6。在第一热屏蔽元件22的情况下，并且还在这里示出的第二热屏蔽元件23的情况下，冷却空气孔27和暴露表面29在与图1的热屏蔽元件1形成对比的相对边沿区段25中的相同位置处。

在该第二热屏蔽装置21中，取而代之，如图2中所描绘的冷却空气开口24、25的偏移布置(按照本发明提供的)通过如下第一热屏蔽元件22和第二热屏蔽元件23的不同实施例来实现：当交替地使用第一热屏蔽元件22和第二热屏蔽元件23时，冷却空气孔26、27和暴露表面28、29的位置相互交换。