EP2270395B1 - Hitzeschildelementanordnung und Verfahren zur Montage eines Hitzeschildelementes - Google Patents
Hitzeschildelementanordnung und Verfahren zur Montage eines Hitzeschildelementes Download PDFInfo
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- EP2270395B1 EP2270395B1 EP09162239.9A EP09162239A EP2270395B1 EP 2270395 B1 EP2270395 B1 EP 2270395B1 EP 09162239 A EP09162239 A EP 09162239A EP 2270395 B1 EP2270395 B1 EP 2270395B1
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- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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- F23M5/00—Casings; Linings; Walls
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- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
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- Y10T29/49947—Assembling or joining by applying separate fastener
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Definitions
- the invention relates to a heat shield element assembly comprising a heat shield element, a method of mounting a heat shield element in a heat shield element assembly, another method of mounting a heat shield element in a heat shield element assembly, and a use of the heat shield element assembly having the features set forth in the respective independent claims.
- the heat shields of turbine engines such as gas turbines and turbine engines, such as those used in power-generating power plants and in larger aircraft, have correspondingly large shielded by heat shields surfaces in the interior of the combustion chambers.
- the shield must be composed of a plurality of individual ceramic heat shield elements spaced apart from one another with sufficient clearance. This gap provides the heat shield elements with sufficient space for thermal expansion.
- a cooling fluid in the form of cooling air is blown through cooling passages as an effective countermeasure through the gaps in the direction of the combustion chamber. This cooling air is also used to specifically blow on the metallic brackets and thus to cool, with which the ceramic heat shield elements (CHS, Ceramic Heat Shields) are clamped to the support structure.
- brackets In order to perform the brackets as simple and as one piece, a construction is known in which these brackets on the one hand in the circular support in the support structure and parallel trained mounting grooves are inserted insertively, and on the other hand clamped with trained gripping portions in the formed in lateral edges of the ceramic heat shield elements Halteruten.
- the heat shield elements are successively inserted with the holders in the grooves of the support structure, wherein the trailing elements obstruct the previously positioned in their positions.
- a circular series of heat shield elements can be formed in a combustion chamber of a gas turbine.
- the last remaining heat shield element can no longer be mounted in this way because the mutually present adjacent heat shield elements block a tangentially directed assembly movement.
- a last heat shield element is referred to as a dummy plate or dummy. Consequently, solutions are used with screws for attaching the last heat shield element, which allow mounting of the heat shield element in the direction of the surface normal of the support structure.
- a known screw used for this purpose four screws which engage in the recess formed in lateral edges of the heat shield element for this purpose.
- This solution is disadvantaged in that the assembly requires a handling problem.
- the handling of the four screws enforces, for example, the use of fixatives such as adhesive or tape, which are not reliable, so that the screws can be lost and must be found before commissioning due to high risk of damage to a turbine.
- the overhead mounting is difficult because the screws can tilt through the fixation by tape and thus can not be inserted into the holes provided. Since this is the last heat shield, the screws can not be positioned by hand, but must be threaded into the holes using an Allen key - without sight.
- EP 1 701 095 A1 and EP 0 558 540 B1 describe by way of example a heat shield as stated above with the described advantages and problems.
- An alternative heat shield assembly is from the WO 01/63177 A1 known.
- the heat shield elements are referred to in the art as stones and retaining elements holding them stone holder and recessed in the side edges of the heat shield elements grooves as pockets.
- the present invention makes it its task, the assembly, disassembly and permanent attachment of a heat shield element, in particular a capstone or a dummy in the direction of the surface normal of the support structure of a built-up of a plurality of heat shield elements heat shield safe and easy to make, the fasteners sufficient cooled and no overheating be exposed by hot gases.
- the invention according to a first aspect of a heat shield element assembly with a heat shield element, in particular a dummy, for a plurality of adjacent arranged on a support structure arranged heat shield elements heat shield.
- the heat shield element has a hot side and a cold side, and is fixed to the support structure, wherein the support structure per Hitzeschildelement #2 has at least one mounting groove.
- the heat shield element has recessed depressions in the form of retaining grooves on each of two opposite side edges extending transversely to the parallel mounting grooves.
- a heat shield element according to the invention has at least one continuous screw head opening, which pierces the cold side and the hot side of the heat shield element essentially vertically and through which the head of the respective screw is accessible and / or freely retractable up to the support structure.
- an Allen recess of hexagonal or other shape may be formed in the head of the screw, so that the Screw can be rotated from the hot side of the heat shield element using a corresponding Allen tool.
- the continuous screw head opening is arranged above the mounting groove.
- a screw hole for receiving the threaded shank of the screw is in the mounting groove of the support structure in alignment with the screw head opening.
- Under the head of the screw serving as a stone holder spring element can be arranged and / or arranged, which along the cold side of the heat shield element and the mounting groove Support structure extends.
- at least one outer end of the spring element serving as a stone holder is designed as a clasping holding hook, which is provided for engagement in the lateral recessed retaining groove of the heat shield element.
- the spring element extends only to one of the two sides having the retaining grooves, wherein in each case two spring elements facing away from each other form a spring element pair.
- the spring element extends to both the retaining grooves having sides of the heat shield element and thus forms an integral spring element pair.
- the spring element is fastened by preferably at least one common screw to the support structure.
- At the two outer ends of the spring element is also ever a umklemmder retaining hook formed, which is provided for engaging in the respective lateral recessed retaining groove of the heat shield element.
- the one-piece pair of spring elements can be further improved if the long side of the spring element extending along the mounting groove of the support structure has a predetermined curvature which convexly bulges from the support structure, so that when the spring element is relaxed, the clasping retaining hooks at the ends of the spring element are each inclined at a predetermined angle from each other. As a result, a distance is formed between the retaining hooks, which allows a threading of the heat shield element between the retaining hooks.
- a recess is provided on the hot side of the heat shield element, which is provided for receiving the convex curvature of the spring element.
- a hold-down arranged, which serves to straighten by pressing the curvature of the spring element and thereby to engage the retaining hooks at the opposite ends of the spring element in the retaining grooves ,
- the provided in the respective mounting groove of the support structure screw hole may be designed to receive the threaded shank of the screw through the support structure through and be screwed with an attachable from the back of the support structure threaded device.
- a blind bore of certain sufficient depth may be carried out, wherein in the blind bore further preferably a threaded insert is mountable.
- the threaded insert can be designed in particular as a spiral insert or a Helicoil.
- the objects of the present invention are achieved by a method for mounting a heat shield element arrangement with a heat shield element and at least one spring element on a support structure according to a previously described embodiment.
- the spring elements are preferably fixed with an adhesive bond so that they adhere to the heat shield element during assembly.
- the screw can in an alternative embodiment of the assembly process also subsequently on the screw head opening and the bore in the spring element threaded into the screw hole of the support structure and screwed.
- the threaded device used is either a threaded insert previously inserted in the blind bore of the support structure or a threaded nut accessible through the continuous screw bore of the support structure.
- a threaded insert previously inserted in the blind bore of the support structure or a threaded nut accessible through the continuous screw bore of the support structure.
- the objects of the present invention according to a further aspect by a use of the heat shield element assembly according to a preferred embodiment described above for forming a heat shield, in particular a capstone or dummy stone of the heat shield, an internal combustion engine, in particular a turbine solved.
- the turbine may for this purpose preferably be a gas turbine.
- the heat shield elements 3 or stones are fastened to the support structure 30 by means of a total of four screw connections.
- lateral recesses or pockets 5 are formed with lateral recesses 6, in which the screw shaft 15 and screw head 13 are inserted laterally.
- a pressure distributor or disc 14 is arranged, which distributes the pressure over a larger area and thus protects the ceramic body of the heat shield element 3.
- a heat shield element 3 with only four attached screws 13/15 and pressure manifolds 14 must now be mounted perpendicular to the support structure 30 in the prior art, and the four screw shafts 15 must be threaded into the four correspondingly arranged in the support structure 30 screw holes. Because the screws freely inserted laterally into the pockets 5 can easily fall out, they are previously fixed in their positions with an adhesive or adhesive tape. When threading, however, this adhesive connection is easily lost and the screws can either fall out or be tilted and therefore no longer meet in the screw holes of the support structure 30th
- the cooling is carried out, for example, as a ventilation via channels and ventilation lines 25.
- the cooling channel may be the mounting groove 40 of the support structure 30 or special channels formed in the support structure.
- the spring plate package 19 is an additional complex component and is installed in a package sleeve 20 which is closed by a fixing plate 22. This fixing disc 22 prevents the disc spring and the threaded nut 21 from falling out when the screw 15 has not yet been inserted.
- FIG. 3 shows a cross-sectional view of a first heat shield element assembly 1 according to the invention prior to assembly.
- the one-piece spring element 37 is provided in the relaxed state with a curvature 37 which is bulged convexly from the surface of the support structure 30.
- a curvature 37 which is bulged convexly from the surface of the support structure 30.
- a hold-down 38 is attached on the cold side 4 of the heat shield element 3 facing side of the curvature 37 of the spring element.
- This hold-down 38 is at least partially retractable in a formed on the cold side 4 in the heat shield element recess 32, so that in the above-described threading the retaining hooks 36 can remain spread.
- FIG. 4 shows a cross-sectional view of the first heat shield element assembly 1 according to the invention FIG. 3 after mounting on the support structure 30.
- the support structure 30 has for this purpose a screw hole, which is designed in this example as a through hole.
- the one-piece spring element pair 37 is inserted into a mounting groove 40 formed in the support structure 30, whereby the heat shield element 3 bears directly against the support structure 30.
- the hold-down 38 is pressed to the groove bottom and the curvature of the spring element 37 thereby straightened, so that the retaining hooks 36 engage on both sides in the respective lateral retaining groove 34 of the heat shield element 3 and thus hold this. Due to the predetermined spring force of the spring elements 37, the heat shield element is pressed against the support structure 30 and the thermal expansion of the heat shield element 3 is thus compensated by the spring-yielding spring elements 37.
- a simple threaded nut 42 may be used, which is to be mounted from the back of the support structure 30.
- the screw head opening 29 is preferably formed continuously with the same diameter and ensures the accessibility of the screw head 27 of the screw 28 from the hot side 2 of the heat shield element 3.
- a rotary tool such as a Allen tool
- the assembly or disassembly can be performed by means of a rotary tool, such as a Allen tool, which can be inserted through the screw head opening 29 in the Inbusaussparung 11 of the screw head 27.
- the diameter of the screw head opening 29 in the heat shield element is slightly larger than the diameter of the screw head 27 of the screw 28, so that the screw head 27 can be pushed through the screw head opening 29.
- the position of the screw 28 is symmetrically centered, because thereby the one-piece spring element 37 receives on both sides equal spring shoulder and consequently attack same spring forces at each of the four attachment points of the heat shield element 3.
- the predetermined offset a between the upper edge and the lower edge of the lateral retaining groove 34 of the heat shield element 3 ensures that the retaining hooks 36 have enough space even in the spread state to introduce the preassembled heat shield element arrangement between the already pre-assembled adjacent heat shield elements.
- FIG. 5 shows a perspective view of a spring element 44 according to the invention, which is divided into two parts in a second preferred embodiment of the invention.
- This spring element 44 has a great similarity with the normal stone holders. It has a bore 45 to the Fixing is provided by means of a screw connection, and a retaining hook 46 which is provided for engagement in the lateral retaining groove 34 of the heat shield element 3.
- FIG. 6 shows an exploded perspective cross-sectional view of a second heat shield element assembly 1 according to the invention.
- the support structure 30 has two circumferential parallel mounting grooves 40 per row of heat shield elements.
- In the bottom of these mounting grooves 40 are a total of four screw holes, which are exemplified here as blind holes 48, provided.
- the heat shield element 3 has in the transverse to the mounting grooves 40 arranged lateral edges each on each side of a recess in the form of a retaining groove 34, in which engage the retaining hooks of the spring elements 44.
- FIG. 7 and FIG. 8 is the same design FIG. 6 shown in a perspective cross-sectional view after mounting a spring element 44.
- the heat shield element 3 bears against the support structure 30, and the spring element 44 is, as in the lower FIGS. 3 and 4 described embodiments, sunk in the mounting groove 40 of the support structure 30.
- the spring element 44 is in this case by a screw 28 which is inserted through the bore 45 of the spring element, screwed in a formed in the bottom of the mounting groove 40 blind bore 48 by means of a threaded insert 50.
- the screw head 27 of the screw 28 can be pushed through the screw head opening 29 of the heat shield element 3 for this purpose.
- the spring element 44 is stretched in the mounted state, so that it exerts a compressive force, which presses the heat shield element 3 against the support structure 30 at a total of four corner regions. In this embodiment, the thermal expansion of the heat shield element 3 is thereby compensated, so that no spring plate package is needed.
- the blind bore 48 allows assembly and disassembly of the heat shield element 3 exclusively from the hot side.
- the blind bore 48 with a channel 49 from the rear side of the support structure 3 and to form an air channel 52 by the screw 28. Cooling air can be introduced through these ventilation channels, which are easy to form, in order to cool the screw head 27 of the screw 28 as required.
- the four spring elements 44 are inserted at the four locations in the lateral retaining groove 34 and secured therein by adhesive tape.
- the pre-assembly is then inserted perpendicular to its place between the adjacent heat shield elements.
- the four screws 28 are inserted through the respective associated screw head openings 29 and threaded through the holes 45 of the spring elements 44 in the threaded inserts inserted in the blind holes 48 and screwed with a Allen tool.
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Hitzeschildelementanordnung mit einem Hitzeschildelement, ein Verfahren zur Montage eines Hitzeschildelementes in einer Hitzeschildelementanordnung, ein weiteres Verfahren zur Montage eines Hitzeschildelementes in einer Hitzeschildelementanordnung und eine Verwendung der Hitzeschildelementanordnung mit den in den jeweiligen unabhängigen Ansprüchen genannten Merkmalen.
- In vielen technischen Anwendungen werden leistungsfähige keramische Hitzeschilde verwendet, um Temperaturen zwischen 1000 und 1600 Grad Celsius zu widerstehen. Insbesondere die Hitzeschilde von Turbinenmaschinen wie Gasturbinen und Turbinentriebwerken, wie sie in stromerzeugenden Kraftwerken und in größeren Flugzeugen Verwendung finden, weisen entsprechend große durch Hitzeschilde abzuschirmende Flächen im Inneren der 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 anzublasen und somit zu kühlen, mit welchen die keramischen Hitzeschildelemente (CHS, Ceramic Heat Shields) an der Tragstruktur verklammert sind.
- Um die Halterungen möglichst einfach und einteilig auszuführen, ist eine Bauweise bekannt, bei der diese Halterungen einerseits in die in der Tragstruktur kreisumlaufend und parallel ausgebildete Montage-Nuten eingreifend einschiebbar sind, und andererseits mit ausgebildeten Greifabschnitten in die in seitlichen Kanten der keramischen Hitzeschildelemente ausgebildete Halternuten verklammert werden. Die Hitzeschildelemente werden nacheinander mit den Haltern in die Nuten der Tragstruktur eingeschoben, wobei die nachkommenden Elemente die vorher positionierten 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 ein Attrappenplatte oder Attrappe genannt. 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 dadurch benachteiligt, dass die Montage ein Handhabungsproblem bedingt. 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 einer Turbine unbedingt vor Inbetriebnahme gefunden werden müssen. Ferner ist die Über-Kopf-Montage schwierig, da die Schrauben durch die Fixierung per Klebeband verkippen können und somit nicht in die vorgesehenen Bohrungen eingeführt werden kann. Da es sich um das letzte Hitzeschild handelt, können die Schrauben nicht per Hand positioniert werden, sondern müssen per Inbus - ohne Sicht - in die Bohrungen eingefädelt werden.
-
EP 1 701 095 A1 undEP 0 558 540 B1 beschreiben beispielhaft einen wie oben genant ausgeführten Hitzeschild mit den geschilderten Vorteilen und Problemen. Eine alternative Hitzeschildanordnung ist aus demWO 01/63177 A1 - Die vorliegende Erfindung macht es sich zur Aufgabe, die Montage, Demontage und dauerhafte Befestigung eines Hitzeschildelementes, insbesondere eines Schlusssteines oder einer Attrappe, in Richtung der Flächennormalen der Tragstruktur eines aus einer Vielzahl von Hitzeschildelementen aufgebauten Hitzeschildes sicher und unkompliziert zu gestalten, wobei die Befestigungselemente ausreichend gekühlt und keiner Überhitzung durch heiße Gase ausgesetzt werden sollen.
- Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung nach einem ersten Aspekt von einer Hitzeschildelementanordnung mit einem Hitzeschildelement, insbesondere einer Attrappe, für einen eine Vielzahl benachbart an einer Tragstruktur angeordneter Hitzeschildelemente aufweisenden Hitzeschild aus. Das Hitzeschildelement weist eine Heißseite und eine Kaltseite auf, und ist an der Tragstruktur befestigt, wobei die Tragstruktur pro Hitzeschildelementreihe wenigstens eine Montagenut aufweist. Das Hitzeschildelement weist an jeweils zwei gegenüberliegenden und quer zu den parallelen Montagenuten verlaufenden Kantenseiten ausgesparte Vertiefungen in Form von Haltenuten auf.
- Zur Lösung der Aufgaben der Erfindung weist ein erfindungsgemäßes Hitzeschildelement wenigstens eine durchgehende Schraubenkopföffnung auf, welche die Kaltseite und die Heißseite des Hitzeschildelementes im Wesentlichen senkrecht durchbohrt und durch welche der Kopf der jeweiligen Schraube bis zur Tragstruktur zugänglich und/oder frei versenkbar ist. Im Kopf der Schraube kann dabei insbesondere eine Inbusvertiefung sechseckiger oder anderer Form ausgebildet sein, sodass die Schraube von der Heißseite des Hitzeschildelementes mithilfe eines entsprechenden Inbuswerkzeuges gedreht werden kann.
- Die durchgehende Schraubenkopföffnung ist über der Montagenut eingerichtet. Außerdem ist in der Montagenut der Tragstruktur fluchtend mit der Schraubenkopföffnung eine Schraubenbohrung zur Aufnahme des Gewindeschaftes der Schraube vorhanden.. Unter dem Kopf der Schraube ist ein als Steinhalter dienendes Federelement anordenbar und/oder angeordnet, welches sich entlang der Kaltseite des Hitzeschildelementes und der Montagenut der Tragstruktur erstreckt. Dabei ist wenigstens ein äußeres Ende des als Steinhalter dienenden Federelementes als ein umklammernder Haltehaken ausgebildet, der zum Eingreifen in die seitliche ausgesparte Haltenut des Hitzeschildelementes ausgestattet ist.
- Dadurch sind die Köpfe der Schrauben und deren Schäfte im Vergleich zum Stand der Technik tiefer bis an die Tragstruktur herangeführt und aus den Spaltbereichen zwischen den Hitzeelementen entfernt. Sie werden daher nicht direkt von den heißen Gasen angeströmt. Folglich kann auf eine Kühlluftbeströmung und den damit verbundenen Aufwand ganz verzichtet oder diese wesentlich vereinfacht und reduziert werden.
- Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung vorliegender Erfindung erstreckt sich das Federelement nur zu einer der beiden die Haltenuten aufweisenden Seiten, wobei jeweils zwei voneinander abgewandt angeordnete Federelemente ein Federelementepaar bilden.
- In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erstreckt sich das Federelement zu beiden die Haltenuten aufweisenden Seiten des Hitzeschildelementes und bildet so ein einstückiges Federelementepaar. Dabei ist das Federelement durch vorzugsweise wenigstens eine gemeinsame Schraube an der Tragstruktur befestigt. An den beiden äußeren Enden des Federelementes ist ferner je ein umklammernder Haltehaken ausgebildet, der zum Eingreifen in die jeweilige seitliche ausgesparte Haltenut des Hitzeschildelementes vorgesehen ist. Mit dieser Anordnung reduziert sich die Anzahl der Federelemente und der Schrauben, sodass die Montage und Demontage wesentlich einfacher zu bewältigen sind.
- Das einstückige Federelementepaar lässt sich noch weiter verbessern, wenn diesich entlang der Montagenut der Tragstruktur erstreckende Langseite des Federelementes eine vorgegebene Wölbung aufweist, die von der Tragstruktur her konvex ausgewölbt ist, sodass wenn das Federelement entspannt ist, die umklammernden Haltehaken an den Enden des Federelementes um je einen vorgegebenen Winkel voneinander geneigt sind. Dadurch ist zwischen den Haltehaken ein Abstand gebildet, der eine Einfädelung des Hitzeschildelementes zwischen den Haltehaken ermöglicht.
- Vorzugsweise ist auf der Heißseite des Hitzeschildelementes eine Aussparung vorgesehen, die zur Aufnahme der konvexen Wölbung des Federelementes vorgesehen ist.
- Außerdem ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung zwischen der Heißseite des Hitzeschildelementes und dem Federelement ein Niederhalter angeordnet, der dazu dient, durch Andruck die Wölbung des Federelementes zu begradigen und dadurch die Haltehaken an den einander gegenüberliegenden Enden des Federelementes in die Haltenuten eingreifen zu lassen.
- Die in der jeweiligen Montagenut der Tragstruktur vorgesehene Schraubenbohrung kann zur Aufnahme des Gewindeschaftes der Schraube durchgehend durch die Tragstruktur hindurch ausgebildet sein und mit einer von der Rückseite der Tragstruktur anbringbaren Gewindevorrichtung verschraubbar ausgeführt sein.
- Alternativ kann die in der Montagenut der Tragstruktur vorgesehene Schraubenbohrung zur Aufnahme des Gewindeschaftes der Schraube vorzugsweise als eine Blindbohrung von bestimmter ausreichender Tiefe ausgeführt sein, wobei in der Blindbohrung ferner vorzugsweise ein Gewindeeinsatz montierbar ist. Der Gewindeeinsatz kann insbesondere als ein Spiraleinsatz oder ein Helicoil ausgebildet sein. Durch diese Maßnahmen benötigt man keine, von der Rückseite der Tragstruktur anzubringende Gewindevorrichtung, wie eine Schraubenmutter vorzusehen. Folglich kann die Montage und Demontage des Hitzeschildelementes vollständig von der vorderen Seite der Tragstruktur erfolgen.
- Nach einem weiteren Aspekt werden die Aufgaben der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zur Montage einer Hitzeschildelementanordnung mit einem Hitzeschildelement und wenigstens einem Federelement an einer Tragstruktur nach einer vorhergehend beschriebenen Ausgestaltung gelöst.
- Die erfindungsgemäße Montage des Hitzeschildelementes wird derart ausgeführt, dass
- das Federelement zum Eingreifen in der Haltenut an dem Hitzeschildelement montiert wird,
- die Schraube in die zugehörige durchgehende Schraubenkopföffnung eingeführt und durch eine im Federelement vorgesehene Schraubenöffnung hindurchgesteckt wird,
- das Hitzeschildelement mit angebrachtem Federelement und Schraube in einer zur Oberfläche der Tragstruktur senkrechten Bewegung an der Tragstruktur montiert wird, sodass der Gewindeschaft der Schraube in die zugehörige Schraubenbohrung der Tragstruktur eingreift, und
- die Schraube verschraubt wird.
- Die Federelemente werden vorzugsweise mit einer Klebeverbindung fixiert, damit sie bei der Montage an dem Hitzeschildelelement haften bleiben. Die Schraube kann in einer alternativen Ausgestaltung des Montageverfahrens auch nachträglich über die Schraubenkopföffnung und die Bohrung in dem Federelement in die Schraubenbohrung der Tragstruktur eingefädelt und eingeschraubt werden.
- Hierbei wird als Gewindevorrichtung entweder ein in der Blindbohrung der Tragstruktur vorher eingesetzter Gewindeeinsatz oder eine durch die durchgehende Schraubenbohrung der Tragstruktur zugängliche Gewindemutter verwendet. Es sind somit seitens der Konstruktion wahlweise beide Typen der Verschraubung verwendbar.
- Schließlich werden die Aufgaben der vorliegenden Erfindung nach einem weiteren Aspekt durch eine Verwendung der Hitzeschildelementanordnung nach einer vorhergehend beschriebenen bevorzugten Ausgestaltung zum Ausbilden eines Hitzeschildes, insbesondere eines Schlusssteines oder Attrappensteines des Hitzeschildes, einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Turbine gelöst. Die Turbine kann hierzu vorzugsweise eine Gasturbine sein.
- Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
Figur 1 eine Teilquerschnittsansicht durch eine bekannte Hitzeschildelementanordnung, -
Figur 2 eine perspektivische Teilansicht auf das bekannte Hitzeschildelement ausFig.1 , -
Figur 3 eine Querschnittsansicht einer ersten erfindungsgemäßen Hitzeschildelementanordnung vor der Montage, -
Figur 4 eine Querschnittsansicht der ersten erfindungsgemäßen Hitzeschildelementanordnung nach der Montage, -
Figur 5 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Federelementes, -
Figur 6 eine perspektivische Explosionsansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Hitzeschildelementanordnung, -
Figur 7 eine perspektivische Querschnittsansicht der zweiten erfindungsgemäßen Hitzeschildelementanordnung bei Montage, und -
Figur 8 eine seitliche Querschnittsansicht der zweiten erfindungsgemäßen Hitzeschildelementanordnung. -
Figuren 1 und 2 zeigen eine Teilquerschnittsansicht durch eine bekannte Hitzeschildelementanordnung 1. - Bei der bekannten Hitzeschildelementanordnung 1 werden die Hitzeschildelemente 3 oder Steine mithilfe von insgesamt vier Verschraubungen an der Tragstruktur 30 befestigt.
- In den seitlichen Kanten des Hitzeschildelementes 3 sind Vertiefungen oder Taschen 5 mit seitlichen Aussparungen 6 gebildet, in welchen der Schraubenschaft 15 und Schraubenkopf 13 seitlich einlegbar sind. Unter dem Schraubenkopf 13 ist ein Druckverteiler oder Scheibe 14 angeordnet, die den Druck auf eine größere Fläche verteilt und so den keramischen Körper des Hitzeschildelementes 3 schont.
- Ein Hitzeschildelement 3 mit allein vier angebrachten Schrauben 13/15 und Druckverteilern 14 muss nach Stand der Technik nun senkrecht auf die Tragstruktur 30 montiert werden, und die vier Schraubenschäfte 15 müssen in die vier entsprechend in der Tragstruktur 30 angeordnete Schraubenbohrungen eingefädelt werden. Weil die frei seitlich in die Taschen 5 eingelegten Schrauben leicht herausfallen können, werden sie mit einem Klebstoff oder Klebestreifen vorher in ihren Positionen fixiert. Beim Einfädeln jedoch geht diese Klebeverbindung leicht verloren und die Schrauben können entweder herausfallen oder verkantet werden und treffen deshalb nicht mehr in die Schraubenbohrungen der Tragstruktur 30.
- Weil die Schrauben relativ hoch herausragen, werden sie durch die zwischen den benachbarten Hitzeschildelementen 3 vorhandenen Spalte von den heißen Gasen angeströmt und erreichen hohe Temperaturen, wodurch eine Kühlung erforderlich wird. Die Kühlung ist beispielsweise als eine Belüftung über Kanäle und Belüftungsleitungen 25 ausgeführt. Als Kühlkanal kann die Montagenut 40 der Tragstruktur 30 oder spezielle in der Tragstruktur gebildete Kanäle dienen.
- Weil bei dieser Montageart die thermische Ausdehnung des keramischen Hitzeschildelementes 3 und der metallischen Schraube 15 erheblich und unterschiedlich ist, muss die Schraube 15 außerdem in einem Federtellerpaket 19 verschraubt werden. Das Federtellerpaket 19 ist ein zusätzliches aufwendiges Bauelement und ist in einer Pakethülse 20 verbaut, die von einer Fixierscheibe 22 verschlossen ist. Diese Fixierscheibe 22 verhindert das Herausfallen der Tellerfeder und der Gewindemutter 21, wenn die Schraube 15 noch nicht eingesetzt ist.
- Diese bekannte Anordnung ist somit konstruktionsbedingt aufwendig und schwierig in der Handhabung bei der Montage/Demontage, sodass mitunter zwei Personen erforderlich sind.
-
Figur 3 zeigt eine Querschnittsansicht einer ersten erfindungsgemäßen Hitzeschildelementanordnung 1 vor Montage. - Das einstückige Federelement 37 ist im entspannten Zustand mit einer Wölbung 37 versehen, die konvex von der Oberfläche der Tragstruktur 30 ausgewölbt ist. Durch diese vorgegebene Wölbung sind die beiden an den äußeren Enden des Federelementes 37 vorgesehenen Haltehaken 36 um einen vorgegebenen Winkel auseinander gespreizt. Diese vorgegebene Spreizung wird eventuell noch manuell ausgeweitet, um das Hitzeschildelement 3 zwischen den Haltehaken 36 einzufädeln und festzuhalten. Durch das Festhalten kann das Hitzeschildelement 3 mit den zwei an ihm angebrachten Federelementen 37 bequem gehandhabt werden. So kann als Nächstes beispielsweise die Schraube 28 in die Schraubenkopföffnung eingesteckt werden.
- An der zur Kaltseite 4 des Hitzeschildelementes 3 gewandten Seite der Wölbung 37 des Federelementes ist ein Niederhalter 38 angebracht. Dieser Niederhalter 38 ist wenigstens teilweise in einer an der Kaltseite 4 in dem Hitzeschildelement ausgebildeten Aussparung 32 versenkbar, sodass bei der oben beschriebenen Einfädelung die Haltehaken 36 gespreizt bleiben können.
-
Figur 4 zeigt eine Querschnittsansicht der ersten erfindungsgemäßen Hitzeschildelementanordnung 1 ausFigur 3 nach der Montage an der Tragstruktur 30. - Die Tragstruktur 30 weist hierzu eine Schraubenbohrung auf, die in diesem Beispiel als eine durchgehende Bohrung ausgeführt ist. Das einstückige Federelementepaar 37 wird in eine in der Tragstruktur 30 ausgebildete Montagenut 40 eingelegt, wodurch das Hitzeschildelement 3 direkt an der Tragstruktur 30 anliegt. Durch das Anziehen der Schraube 28 wird der Niederhalter 38 bis zum Nutboden gedrückt und die Wölbung des Federelementes 37 dadurch begradigt, sodass die Haltehaken 36 auf beiden Seiten in die jeweilige seitliche Haltenut 34 des Hitzeschildelementes 3 eingreifen und dieses somit festhalten. Durch die vorgegebene Federkraft der Federelemente 37 wird das Hitzeschildelement gegen die Tragstruktur 30 gepresst und die thermische Ausdehnung des Hitzeschildelementes 3 wird somit auch durch die federnd nachgebenden Federelemente 37 ausgeglichen.
- Dadurch ist es nicht mehr erforderlich, die Schrauben 28 in einem Tellerfederpaket wie unter
Figur 1 beschrieben aufzufangen. Es kann eine einfache Gewindemutter 42 verwendet werden, die von der Rückseite der Tragstruktur 30 anzubringen ist. - Die Schraubenkopföffnung 29 ist bevorzugt durchgehend mit gleichem Durchmesser ausgebildet und stellt die Zugänglichkeit des Schraubenkopfes 27 der Schraube 28 von der Heißseite 2 des Hitzeschildelementes 3 sicher. So kann die Montage oder Demontage mithilfe eines Drehwerkzeuges, beispielsweise eines Inbuswerkzeuges ausgeführt werden, das durch die Schraubenkopföffnung 29 in die Inbusaussparung 11 des Schraubenkopfes 27 eingesteckt werden kann.
- Außerdem ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Durchmesser der Schraubenkopföffnung 29 im Hitzeschildelement etwas größer als der Durchmesser des Schraubenkopfes 27 der Schraube 28, sodass der Schraubenkopf 27 durch die Schraubenkopföffnung 29 durchsteckbar ist.
- Dadurch kann die Montage und Demontage des Hitzeschildelementes einfach gehandhabt werden.
- Es ist von Vorteil, jedoch nicht zwingend, dass die Position der Schraube 28 symmetrisch mittig angeordnet ist, weil dadurch das einstückige Federelement 37 zu beiden Seiten hin gleich lange Federschulter erhält und folglich gleiche Federkräfte an jedem der vier Befestigungspunkte des Hitzeschildelementes 3 angreifen.
- Der vorgegebene Versatz a zwischen der oberen Kante und der unteren Kante der seitlichen Haltenut 34 des Hitzeschildelementes 3 sorgt dafür, dass die Haltehaken 36 auch im gespreizten Zustand genügend Platz haben, um die vormontierte Hitzeschildelementanordnung zwischen den bereits vormontierten benachbarten Hitzeschildelementen einzuführen.
-
Figur 5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Federelementes 44, das in einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung in zwei Teile aufgeteilt ist. - Dieses Federelement 44 weist eine große Ähnlichkeit mit den normalen Steinhaltern auf. Es weist eine Bohrung 45, die zum Befestigen mittels einer Schraubverbindung vorgesehen ist, und einen Haltehaken 46 auf, der zum Eingreifen in die seitliche Haltenut 34 des Hitzeschildelementes 3 vorgesehen ist.
-
Figur 6 zeigt eine perspektivische Explosionsquerschnittsansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Hitzeschildelementanordnung 1. - Die Tragstruktur 30 weist pro Hitzeschildelementreihe zwei umlaufende parallel angeordnete Montagenuten 40 auf. In dem Boden dieser Montagenuten 40 sind insgesamt vier Verschraubungsbohrungen, die hierbei beispielhaft als Blindbohrungen 48 ausgeführt sind, vorgesehen.
- Das Hitzeschildelement 3 weist in den quer zu den Montagenuten 40 angeordneten seitlichen Kanten jeweils auf jeder Seite eine Vertiefung in Form einer Haltenut 34 auf, in welche die Haltehaken der Federelemente 44 eingreifen.
- Erfindungsgemäß sind vier Schraubenkopfbohrungen 29 vorgesehen, die das Hitzeschildelement 3 durchgehend vorzugsweise mit gleichem Durchmesser durchbohren.
- In
Figur 7 und Figur 8 ist die gleiche Ausgestaltung ausFigur 6 in einer perspektivischen Querschnittsansicht nach Montage eines Federelementes 44 dargestellt. - Hierbei liegt das Hitzeschildelement 3 an der Tragstruktur 30 an, und das Federelement 44 ist, ebenso wie in der unter
Figuren 3 und 4 beschriebenen Ausgestaltungen, in der Montagenut 40 der Tragstruktur 30 versenkt. - Das Federelement 44 ist hierbei durch eine Schraube 28, die durch die Bohrung 45 des Federelementes durchgesteckt ist, in einer im Boden der Montagenut 40 ausgebildeten Blindbohrung 48 mittels eines Gewindeeinsatzes 50 verschraubt. Der Schraubenkopf 27 der Schraube 28 ist hierzu durch die Schraubenkopföffnung 29 des Hitzeschildelementes 3 durchsteckbar.
- Das Federelement 44 ist im montierten Zustand gespannt, sodass es eine Druckkraft ausübt, die an insgesamt vier Eckbereichsstellen das Hitzeschildelement 3 gegen die Tragstruktur 30 andrückt. Auch in dieser Ausgestaltung wird dadurch die thermische Ausdehnung des Hitzeschildelementes 3 ausgeglichen, sodass kein Federtellerpaket benötigt wird.
- Die Blindbohrung 48 ermöglicht eine Montage und Demontage des Hitzeschildelementes 3 ausschließlich von der Heißseite her.
- Ferner ist es in einer bevorzugten Ausgestaltung von Vorteil, die Blindbohrung 48 von der Rückseite der Tragstruktur 3 mit einem Kanal 49 auszustatten und durch die Schraube 28 einen Luftkanal 52 auszubilden. Durch diese einfach auszubildenden Belüftungskanäle kann Kühlluft eingeleitet werden, um den Schraubenkopf 27 der Schraube 28 bei Bedarf zu kühlen.
- Die Montage des Hitzeschildelementes 3 nach dieser Ausgestaltung werden die vier Federelemente 44 an den vier Stellen in die seitliche Haltenut 34 eingelegt und durch Klebeband darin befestigt. Die Vorbaugruppe wird dann senkrecht auf ihren Platz zwischen den benachbarten Hitzeschildelementen eingesetzt. Anschließend werden die vier Schrauben 28 durch die jeweiligen zugehörigen Schraubenkopföffnungen 29 hindurchgesteckt und durch die Bohrungen 45 der Federelemente 44 in die in den Blindbohrungen 48 eingesetzten Gewindeeinsätze eingefädelt und mit einem Inbuswerkzeug eingeschraubt.
Claims (14)
- Hitzeschildelementanordnung (1) mit einem Hitzeschildelement (3) für einen eine Vielzahl benachbart an einer Tragstruktur (30) angeordneter Hitzeschildelemente aufweisenden Hitzeschild, wobei das Hitzeschildelement (3) eine Heißseite (2) und eine Kaltseite (4) aufweist, und das Hitzeschildelement (3) an der Tragstruktur (30) befestigt ist, wobei die Tragstruktur (30) pro Hitzeschildelementreihe wenigstens eine Montagenut (40) aufweist, und wobei das Hitzeschildelement (3) an jeweils zwei gegenüberliegenden und quer zu den parallelen Monatenuten (40) verlaufenden Kantenseiten ausgesparte Vertiefungen (34) in Form von Haltenuten (34) aufweist, wobei
das Hitzeschildelement (3) wenigstens eine durchgehende Schraubenkopföffnung (29) aufweist, welche die Kaltseite (4) und die Heißseite (2) des Hitzeschildelementes (3) im Wesentlichen senkrecht durchbohrt und durch welche der Schraubenkopf (27) einer jeweiligen Schraube (28) bis zur Tragstruktur (30) zugänglich angeordnet und/oder frei versenkbar ist, wobei die durchgehende Schraubenkopföffnung (29) über der Montagenut (40) eingerichtet ist und in der Montagenut (40) der Tragstruktur (30) eine Schraubenbohrung (48) zur Aufnahme des Gewindeschaftes (28) der Schraube (28) vorgesehen ist,
und unter dem Schraubenkopf (27) der jeweiligen Schraube (28) ein Federelement (37, 44) anordenbar und/oder angeordnet ist, welches sich entlang der Kaltseite (4) des Hitzeschildelementes (3) in der Montagenut (40) der Tragstruktur (30) erstreckt,
wobei wenigstens ein äußeres Ende des Federelementes (37, 44) als ein umklammernder Haltehaken (36, 46) ausgebildet ist, der zum Eingreifen in die seitliche ausgesparte Haltenut (34) des Hitzeschildelementes (3) ausgebildet ist. - Hitzeschildelementanordnung nach Anspruch 1,
wobei
sich das Federelement (44) nur zu einer der beiden die Haltenuten (34) aufweisenden Seiten des Hitzeschildelementes (3) erstreckt, wobei jeweils zwei voneinander abgewandt angeordnete Federelemente (44, 44) ein Federelementepaar bilden. - Hitzeschildelementanordnung nach Anspruch 1,
wobei das Federelement (37) sich zu beiden die Haltenuten (34) aufweisenden Seiten des Hitzeschildelementes (3) erstreckt und so ein einstückiges Federelementepaar (37) bildet, wobei das Federelementpaar (37) durch wenigstens eine gemeinsame Schraube (28) an der Tragstruktur (30) befestigt ist und an den beiden äußeren Enden des Federelementes (37) je ein umklammernder Haltehaken (36) ausgebildet ist, der zum Eingreifen in die jeweilige seitliche ausgesparte Haltenut (34) des Hitzeschildelementes (3) ausgestaltet ist. - Hitzeschildelementanordnung nach Anspruch 3,
wobei die entlang der Montagenut (40) der Tragsstruktur (3) sich erstreckende Langseite des Federelementes (37) eine Wölbung (37) aufweist, die von der Tragstruktur (30) her konvex gewölbt ist, sodass wenn das Federelement (37) entspannt ist, die umklammernden Haltehaken (36) an den Enden des Federelementes um je einen vorgegebenen Winkel voneinander gespreizt sind, wodurch zwischen den Haltehaken (36) ein Abstand gebildet ist, der eine Einfädelung des Hitzeschildelementes (3) zwischen den Haltehaken (36) ermöglicht. - Hitzeschildelementanordnung nach einem vorhergehenden Anspruch 4,
wobei in der Kaltseite (4) des Hitzeschildelementes (3) eine Aussparung (32) vorgesehen ist, die zur Aufnahme der konvexen Wölbung (37) des Federelementes (37) vorgesehen ist. - Hitzeschildelementanordnung nach einem vorhergehenden Anspruch 4 oder 5,
wobei zwischen der Kaltseite (4) des Hitzeschildelementes (3) und dem Federelement (37) ein Niederhalter (38) angeordnet ist, der dazu dient, durch Andruck die Wölbung (37) des Federelementes (37) zu begradigen und dadurch die Haltehaken (36) an den gegenüberliegenden Enden des Federelementes (37) in die Haltenuten (34) eingreifen zu lassen. - Hitzeschildelementanordnung nach einem vorhergehenden Anspruch,
wobei die in der Montagenut (40) der Tragstruktur (30) vorgesehene Schraubenbohrung zur Aufnahme des Gewindeschaftes (28) der Schraube (28) durchgehend durch die Tragstruktur (30) hindurch ausgebildet und mit einer von der Rückseite (31) der Tragstruktur (30) anbringbaren Gewindevorrichtung (42) verschraubbar oder verschraubt ist. - Hitzeschildelementanordnung nach einem vorhergehenden Anspruch 1 bis 6,
wobei die in der Montagenut (40) der Tragstruktur (30) vorgesehene Schraubenbohrung (48) zur Aufnahme des Gewindeschaftes (28) der Schraube (28) als eine Blindbohrung (48) von bestimmter ausreichender Tiefe ausgeführt ist. - Hitzeschildelementanordnung nach Anspruch 8,
wobei in der Blindbohrung (48) ein Gewindeeinsatz (50) montierbar ist. - Hitzeschildelementanordnung nach Anspruch 9,
wobei der Gewindeeinsatz (50) als ein Spiraleinsatz oder ein Helicoil ausgebildet ist. - Verfahren zur Montage einer Hitzeschildelementanordnung (1) mit einem Hitzeschildelement (3) und wenigstens einem Federelement (44) an einer Tragstruktur (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
wobei- das Federelement (44) zum Eingreifen in der Haltenut (34) an dem Hitzeschildelement (3) montiert wird,- die Schraube (28) in die zugehörige durchgehende Schraubenkopföffnung (29) eingeführt und durch eine im Federelement (44) vorgesehene Bohrung (45) hindurch gesteckt wird,- das Hitzeschildelement (3) mit dem angebrachten Federelement (44) und der Schraube (28) in einer zur Oberfläche der Tragstruktur (30) senkrechten Bewegung an der Tragstruktur (30) montiert wird, sodass der Gewindeschaft (28) der Schraube (28) in die zugehörige Schraubenbohrung (48) der Tragstruktur (30) eingreift,- die Schraube (28) verschraubt wird. - Verfahren nach Anspruch 11,
wobei wenigstens zwei Federelemente (44) und wenigstens zwei Schrauben (28) pro Hitzeschildelement (3) verwendet werden. - Verfahren nach Anspruch 11 oder 12,
wobei als Gewindevorrichtung (42, 50) ein in der Blindbohrung (48) der Tragstruktur (30) vorher eingesetzter Gewindeeinsatz (50) oder eine durch die durchgehende Schraubenbohrung der Tragstruktur (30) zugängliche Gewindemutter (42) verwendet wird. - Verwendung der Hitzeschildelementanordnung (1) nach einem vorhergehenden Anspruch zum Ausbilden eines Hitzeschildes, insbesondere eines Schlusssteines oder Attrappensteines (3) des Hitzeschildes, einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Turbine.
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