本發(fā)明涉及一種熱屏蔽元件，該熱屏蔽元件根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分尤其用于鋪設(shè)具有集成的冷卻空氣通道的燃燒室壁。

背景技術(shù)：

鑒于燃?xì)廨啓C(jī)不斷調(diào)高的效率，主要試圖達(dá)到盡可能高的熱氣體溫度以及必要時(shí)還試圖達(dá)到提高的質(zhì)量流量，同時(shí)試圖節(jié)約用于冷卻被施加熱氣體的構(gòu)件的空氣。即，構(gòu)件(例如在燃燒室內(nèi)的熱屏蔽件)應(yīng)當(dāng)能夠在冷卻空氣的低消耗的情況下承受更高的溫度。困難的是，通常通過(guò)鑄造方法制造的金屬熱屏蔽元件的坯件由于多種用于環(huán)形燃燒室的不同形狀的熱屏蔽元件以及對(duì)形狀的高要求經(jīng)?；蛘呤潜容^貴的，或者關(guān)于質(zhì)量不滿足要求。

大多現(xiàn)有的冷卻方案基于對(duì)待冷卻壁的沖擊冷卻，但是其既不在冷卻空氣消耗方面也不在可實(shí)現(xiàn)的效果方面表現(xiàn)最佳。沖擊冷卻主要在局部作用，并且首先在背面上對(duì)施加熱空氣的部件進(jìn)行冷卻。

關(guān)于冷卻難以解決的尤其是兩個(gè)熱屏蔽元件之間的邊緣區(qū)，這里在熱屏蔽件的后面存在熱氣侵入的危險(xiǎn)。為此，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，例如由de102012204103a1已知一種熱屏蔽元件，其在環(huán)繞的邊緣上具有多個(gè)通孔，通過(guò)這些通孔能夠?qū)⒗鋮s空氣吹入到兩個(gè)熱屏蔽元件之間的間隙內(nèi)。

盡管通過(guò)前述技術(shù)方案能夠盡可能避免熱氣侵入，但是仍然存在在減小冷卻空氣消耗的情況下改進(jìn)冷卻熱屏蔽元件的需求。

為此wo2006/064038提出了一種熱屏蔽元件，在熱屏蔽元件壁之內(nèi)具有冷卻空氣通道。這使得在低冷卻空氣消耗的情況下能夠幾乎最佳地冷卻熱屏蔽元件。該冷卻發(fā)生在冷卻通道中且造成在待冷卻的熱屏蔽元件的壁自身內(nèi)溫度降低。

但是其缺點(diǎn)被證明是，熱屏蔽元件的邊緣區(qū)不能由內(nèi)部的冷卻空氣通道充分冷卻。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的任務(wù)是，提供一種前述類(lèi)型的熱屏蔽元件，該熱屏蔽元件在有利地冷卻自身的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)盡可能低的冷卻空氣消耗，同時(shí)盡可能簡(jiǎn)單且成本合算地制造和安裝。

此外，本發(fā)明的任務(wù)是提出一種用于制造根據(jù)本發(fā)明的熱屏蔽元件的方法。

這種熱屏蔽元件限定使用在燃燒室，其中該燃燒室尤其涉及燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室。在此，該熱屏蔽元件首先包括壁，該壁具有可施加熱介質(zhì)的熱側(cè)和相對(duì)該熱側(cè)的冷側(cè)。環(huán)繞該壁具有從熱側(cè)開(kāi)始延伸直至伸出冷側(cè)的平面的邊緣。在此，該邊緣具有鄰接冷側(cè)的內(nèi)側(cè)面和與內(nèi)側(cè)面相對(duì)的鄰接熱側(cè)的外側(cè)面。固定設(shè)備基本上布置在壁的中央，該固定設(shè)備從熱側(cè)的壁向外延伸伸出冷側(cè)。在此，該固定設(shè)備具有通孔，從而在滲透通過(guò)通孔的情況下，在固定設(shè)備上能夠安裝固定裝置。

為了在表面上以及在邊緣區(qū)內(nèi)改進(jìn)冷卻這種熱屏蔽元件，根據(jù)本發(fā)明將多個(gè)冷卻通道安裝在熱屏蔽元件中，這些冷卻通道從固定設(shè)備穿過(guò)熱屏蔽元件的壁直至邊緣。在此設(shè)置為，在固定設(shè)備中將冷卻空氣入口布置在冷卻空氣通道中，其中從冷卻空氣通道出來(lái)的冷卻空氣出口被布置在邊緣區(qū)域中。

在根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式中，第一冷卻空氣出口被布置在所述邊緣的外側(cè)面上，從而使冷卻空氣流出到相鄰的熱屏蔽元件之間的間隙中。在該配置中，冷卻介質(zhì)以固定元件、壁、邊緣的順序依次流過(guò)熱屏蔽元件的所有部件，因此在將邊緣上的冷卻空氣輸出到兩個(gè)熱屏蔽元件之間的間隙中輸入到燃燒室中并且有利地阻止來(lái)自燃燒室的熱氣體侵入間隙之前，冷卻所有區(qū)域。

在根據(jù)本發(fā)明的替代的或者補(bǔ)充的第二實(shí)施方式中，將第三冷卻空氣出口布置在邊緣區(qū)域中的壁的熱側(cè)上，從而使冷卻空氣直接相鄰于間隙流入到燃燒室中。借此能夠?qū)崿F(xiàn)附加地薄膜冷卻熱屏蔽元件。因此，熱屏蔽元件的熱側(cè)能夠均勻地保持在恒定的溫度，因?yàn)樵跓岬娜紵覛怏w和熱屏蔽元件之間形成保護(hù)邊界層。

在已知的具有集成的冷卻通道的實(shí)施方式中，冷卻空氣流在熱屏蔽元件的底面上的回流造成此時(shí)導(dǎo)出經(jīng)加熱的空氣流，其進(jìn)而造成關(guān)于冷卻空氣的后續(xù)問(wèn)題。通過(guò)根據(jù)本發(fā)明布置熱屏蔽元件的邊緣上的第一和/或第三冷卻空氣出口以經(jīng)加熱的冷卻空氣排入到間隙中和/或燃燒室中移走熱屏蔽元件的熱量，而使熱量不到達(dá)熱屏蔽元件的內(nèi)部，即冷側(cè)。這樣通過(guò)相同的空氣量可實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步降低熱屏蔽元件的內(nèi)部空間的溫度(或者通過(guò)較少的冷卻空氣降低同樣的溫度)。溫度降低對(duì)熱屏蔽元件的其他構(gòu)件產(chǎn)生積極作用，這些其他構(gòu)件熱負(fù)擔(dān)更小。

優(yōu)選地將冷卻空氣入口設(shè)置在固定設(shè)備的外側(cè)面上。該固定設(shè)備被中央布置在熱屏蔽元件的壁上，因此是用于將冷卻空氣輸入到冷卻空氣通道中的理想位置。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，第二冷卻空氣出口被設(shè)置在固定設(shè)備的內(nèi)側(cè)面上。因此，能夠使冷卻功能擴(kuò)大到熱屏蔽元件的固定裝置上。通常為了固定熱屏蔽元件使用內(nèi)部冷卻的固定螺絲。如果現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備自身冷卻，則能夠使用更簡(jiǎn)單的無(wú)內(nèi)部冷卻的固定螺絲，其相應(yīng)地更優(yōu)惠且由于更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)也更可靠。

在另一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，第四冷卻空氣出口被設(shè)置在固定設(shè)備的區(qū)域內(nèi)的熱側(cè)上。借此能夠在固定設(shè)備的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)熱屏蔽元件的附加的薄膜冷卻，從而在熱的燃燒室氣體和固定裝置之間形成保護(hù)邊界層。

首先不重要的是，不論第二冷卻空氣出口和/或第四冷卻空氣出口由傳輸?shù)竭吘壍睦鋮s空氣通道供給，還是其他冷卻空氣通道從固定設(shè)備出發(fā)導(dǎo)向第二和/或第四冷卻空氣出口。

意圖達(dá)到的是，固定設(shè)備的通孔具有用于螺絲頭的定位面，從而使螺絲在熱屏蔽元件中以裝配狀態(tài)深埋，從而使其不在暴露的位置被施加熱氣體。

優(yōu)選地，該熱屏蔽元件基本上是金屬的，即其基本上由金屬或者是金屬合金組成，例如基于鐵、鉻、鎳或者鈷的耐高溫的合金組成。跟陶瓷相比，金屬具有更小的脆性以及更合適的導(dǎo)熱性和熱導(dǎo)率。

所述熱屏蔽元件被用作保護(hù)且用于冷卻帶有熱氣體的燃燒室，優(yōu)選地用于具有支撐結(jié)構(gòu)的燃?xì)廨啓C(jī)的環(huán)形燃燒室，這種熱屏蔽元件被安裝在支撐結(jié)構(gòu)上。

在此，熱屏蔽元件優(yōu)選地通過(guò)固定裝置、例如螺絲布置在支撐結(jié)構(gòu)上。

在用于制造熱屏蔽元件的有利的方法中，該熱屏蔽元件具有壁，該壁具有可施加熱介質(zhì)的熱側(cè)和相對(duì)該熱側(cè)的冷側(cè)，并且該熱屏蔽元件具有鄰接并環(huán)繞該壁的、延伸伸出冷側(cè)的平面的邊緣，該邊緣具有內(nèi)側(cè)面和外側(cè)面，并且該熱屏蔽元件具有基本上布置在壁的冷側(cè)的中間的固定設(shè)備，該固定設(shè)備基本上垂直地從該壁向外延伸，其中在固定設(shè)備、壁和邊緣中布置有冷卻通道，這些冷卻通道延伸經(jīng)過(guò)以上三者中的至少兩者，以層形式的粉末狀的具有合適的局部分布的金屬材料通過(guò)激光輻射被重熔在襯底上，從而在凝結(jié)經(jīng)熔化的粉末時(shí)相應(yīng)地形成另一個(gè)固定層。

使用所謂的“選擇性激光熔化”來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單但準(zhǔn)確地制造熱屏蔽元件能夠?qū)崿F(xiàn)引入復(fù)雜的內(nèi)部輪廓，以改進(jìn)對(duì)總體構(gòu)件的冷卻同時(shí)磨損較小。能夠減少在運(yùn)行中所需的冷卻空氣量，從而也能夠減少氮氧化物的排放。能夠舍棄昂貴的沖擊冷卻。

在該方法的開(kāi)始后，在第一步中建立三維的cad模型，在第二步中將該cad模型分層拆解。在接下來(lái)的步驟中進(jìn)行熱屏蔽元件的實(shí)際制造，其中在第三步中將粉末層涂抹在襯底上，在第四步中將涂抹的粉末通過(guò)激光曝光或者重熔，并且在第五步中將該襯底降低第二步中的層厚。第三步到第五步被重復(fù)，直至完全制成熱屏蔽元件。

尤其相對(duì)較少件數(shù)的熱屏蔽元件通過(guò)該方法合理地制造。在服務(wù)情況下也能快速地對(duì)需求做出反應(yīng)，從而減少設(shè)備的停機(jī)時(shí)間。

附圖說(shuō)明

示范性地借助附圖進(jìn)一步闡述本發(fā)明。附圖示意性而不是按比例地表示：

圖1示出了具有燃燒室的燃?xì)廨啓C(jī)的半剖面圖；

圖2示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的熱屏蔽元件；

圖3示出了第一實(shí)施方式中用于根據(jù)本發(fā)明的熱屏蔽元件的實(shí)施例；

圖4示出了擴(kuò)展圖3中的技術(shù)方案的實(shí)施例；

圖5示出了第二實(shí)施方式中用于根據(jù)本發(fā)明的熱屏蔽元件的實(shí)施例；

圖6示出了擴(kuò)展圖3中的技術(shù)方案的另一實(shí)施例；

圖7示出了具有薄膜冷卻的熱屏蔽元件的燃燒室的片段。

具體實(shí)施方式

圖1示出了燃?xì)廨啓C(jī)21，該燃?xì)廨啓C(jī)21部分地在縱向上以剖面圖示出。該燃?xì)廨啓C(jī)21具有壓縮機(jī)、具有多個(gè)用于液體或者氣體形式的燃料的燃燒器的環(huán)形燃燒室20、以及用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)和圖1中未示出的發(fā)電機(jī)的渦輪機(jī)。在此，燃燒室壁鋪設(shè)有熱屏蔽元件1，或者說(shuō)熱屏蔽元件1被安裝在燃燒室壁上的支撐結(jié)構(gòu)22上。在燃?xì)廨啓C(jī)21運(yùn)行時(shí)，從環(huán)境中吸入空氣。在壓縮機(jī)中，空氣被壓縮且由此部分被加熱。小部分的空氣被從壓縮機(jī)中取出并作為冷卻介質(zhì)被傳送到熱屏蔽元件1中，大部分的空氣被傳送到燃燒器以燃燒。在燃燒室20中，來(lái)自壓縮機(jī)的該大部分的空氣與液體或者氣體形式的燃料結(jié)合和燃燒。在此產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)21的熱氣體。在渦輪機(jī)中，降低熱氣體的壓力并冷卻熱氣體。

圖2中示意性示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的熱屏蔽單元30。該熱屏蔽元件30具有壁2，該壁2具有可施加熱介質(zhì)的熱側(cè)3(圖2中在相對(duì)側(cè)上)和相對(duì)該熱側(cè)3的冷側(cè)4，該熱屏蔽元件30還具有鄰接并環(huán)繞該壁2的、延伸伸出冷側(cè)4的平面的邊緣5，該邊緣5具有內(nèi)側(cè)面6和外側(cè)面7。此外，基本上在壁2的冷側(cè)4的中央布置有固定設(shè)備8，該固定設(shè)備8基本上垂直地從壁2向外延伸。該熱屏蔽元件30使用螺絲或者螺栓穿過(guò)固定設(shè)備8固定在支撐結(jié)構(gòu)22上。

圖3中示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式用于熱屏蔽元件1的第一實(shí)施例，其中在壁2中從固定設(shè)備8直到邊緣5布置有冷卻通道9。在此，冷卻空氣入口10被設(shè)置在固定設(shè)備8的外側(cè)面11上，而對(duì)應(yīng)的第一冷卻空氣出口12被設(shè)置在邊緣5的外側(cè)面7上。

圖4中示出了根據(jù)圖1的熱屏蔽元件1的實(shí)施方式，該熱屏蔽元件1進(jìn)一步具有第二冷卻空氣出口13。為了改進(jìn)對(duì)固定裝置(未示出)、例如螺絲或者螺栓的冷卻功能，在該示例中在固定設(shè)備8的內(nèi)側(cè)面14上設(shè)置有第二冷卻空氣出口13。借此能夠通過(guò)簡(jiǎn)單的螺絲替代昂貴的、內(nèi)部冷卻的固定螺絲以將熱屏蔽元件1固定在支撐結(jié)構(gòu)22上。

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的熱屏蔽元件1的實(shí)施例，據(jù)此在邊緣5的區(qū)域內(nèi)的熱側(cè)3上設(shè)置有第三冷卻空氣出口15。通過(guò)使用薄膜冷卻將熱屏蔽元件1的熱側(cè)均勻地保持在恒定的溫度。在熱的燃燒室氣體和熱屏蔽元件1之間形成保護(hù)邊界層。在邊緣5的區(qū)域內(nèi)布置第三冷卻空氣開(kāi)口15同時(shí)還防止相鄰的熱屏蔽元件1之間的間隙侵入熱空氣。

圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的熱屏蔽元件1的另一實(shí)施例。該實(shí)施例首先類(lèi)似于圖3的示例實(shí)現(xiàn)，并且具有從固定設(shè)備8開(kāi)始經(jīng)過(guò)壁2延伸直至邊緣5的冷卻空氣通道9。為此，在熱屏蔽元件內(nèi)與冷卻空氣通道9交匯地布置有另一個(gè)冷卻空氣通道29，該另一個(gè)冷卻空氣通道29同樣從固定設(shè)備8的外側(cè)面出發(fā)，延伸到壁2。在那里，該另一個(gè)冷卻空氣通道29通入第四冷卻空氣出口25，該第四冷卻空氣出口25被布置在壁2的熱側(cè)3上靠近固定設(shè)備8處。

圖2至6示出了固定設(shè)備8，該固定設(shè)備8從熱屏蔽單元1的壁2延伸伸出冷側(cè)4，并且具有基本上垂直地指向壁2的通孔16，該通孔16被構(gòu)造為，使得該通孔16能夠容納固定裝置17。此外，在圖3到6中可見(jiàn)，通孔16具有用于螺絲頭19的定位面18。

圖7示出了具有根據(jù)本發(fā)明的熱屏蔽元件1的燃燒室的片段。所看到的尤其是具有用于薄膜冷卻的第三冷卻空氣出口15的熱側(cè)3，以及通過(guò)固定裝置17、例如螺絲固定熱屏蔽元件1。