EP2093377A1 - Kühlkanal für ein zu kühlendes Bauteil - Google Patents

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EP2093377A1
EP2093377A1 EP08003041A EP08003041A EP2093377A1 EP 2093377 A1 EP2093377 A1 EP 2093377A1 EP 08003041 A EP08003041 A EP 08003041A EP 08003041 A EP08003041 A EP 08003041A EP 2093377 A1 EP2093377 A1 EP 2093377A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cooling channel
cooling
channel
region
insert
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08003041A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mahmoud Dr. Amro
Tobias Dr. Buchal
Winfried Dr. Esser
Daniel Grundei
Matthias Dr. Hase
Patricia Dr. Hülsmeier
Rudolf Küperkoch
Torsten Matthias
Christian Menke
Hans Thermann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP08003041A priority Critical patent/EP2093377A1/de
Publication of EP2093377A1 publication Critical patent/EP2093377A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
    • F28F13/12—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media by creating turbulence, e.g. by stirring, by increasing the force of circulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
    • F01D5/188—Convection cooling with an insert in the blade cavity to guide the cooling fluid, e.g. forming a separation wall
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M5/00—Casings; Linings; Walls
    • F23M5/08—Cooling thereof; Tube walls
    • F23M5/085—Cooling thereof; Tube walls using air or other gas as the cooling medium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/002—Wall structures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/005—Combined with pressure or heat exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/201—Heat transfer, e.g. cooling by impingement of a fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/221—Improvement of heat transfer
    • F05D2260/2212—Improvement of heat transfer by creating turbulence

Definitions

  • the invention relates to a cooling channel for a component to be cooled according to the preamble of claim 1.
  • the object of the invention is to provide a cooling channel of a component to be cooled, which allows a further reduction of the coolant mass flow while maintaining the previous cooling capacity or an improved cooling capacity - in relation to an equal mass flow of coolant mass.
  • the insert arranged in the cooling channel is substantially sheet-like and has a first region and a second region, wherein the second region comprises at least two guide elements which are inclined relative to the first region and which are mutually inclined in the opposite direction.
  • the invention is based on the finding that a partial blockage of the flow cross-section of the cooling channel, ie a reduction of the area available for the flow can also take place in that the insert comprises a particularly large, in addition to overflowing surface.
  • the main effect of the obstruction should therefore not be done by a considerable mechanical blockage of the flow cross-section.
  • the obstruction ie the reduction of the flow cross section of the cooling channel to be flowed through, is to be achieved according to the invention by enlarging the surface to be overflowed in the cooling channel, on which surfaces flow boundary layers usually form. By forming flow boundary layers, the main flow along the cooling channel can be hinged to the surfaces of the insert, which also reduces the effective flow area.
  • the at least two inclined guide elements which are mutually inclined in the opposite direction, a directed flow of coolant to the hotter cooling channel walls can be achieved.
  • a certain impact cooling effect is achieved at dedicated sections or areas of the cooling channel wall.
  • there the flow and temperature boundary layer at the channel walls can be disturbed. Both effects lead to a further improved heat transfer without the need to further increase the amount of coolant for it.
  • the hotter and colder flow regions can be achieved with the use according to the invention.
  • the cooling channel provided for the convective cooling near the wall and a remote wall, central flow.
  • the near-wall flow heats up more than the flow occurring in the center of the channel, so that the near-wall flow a hotter flow area and the off-wall flow represent a colder flow area. Due to the alternating arrangement of the guide elements in the opposite direction, the partial flow flowing in the center of the cooling channel is also guided to the cooling channel walls and the partial flow flowing near a cooling channel wall is deflected to the center of the cooling channel.
  • each insert includes a first region and a second region.
  • the first area is plate-shaped and thus sheet-like.
  • the second region comprises two plate-like elements which are mutually inclined in the opposite direction with respect to the extent of the first region, whereby they can redirect the coolant flowing along them; they then act according to the invention as guide elements.
  • the insert thus has the form of a 'Y', wherein the lower part of the 'Y' are formed by the first region and the two upwardly projecting arms of the 'Y' is each formed by a guide element, which in spatial Depth offset from each other. Due to the overall sheet-like design of the insert, it can be inserted particularly easily into smooth and straight-lined cooling channels. The insert can be inserted and used in curved cooling channels due to its flexible sheet-like structure.
  • the guide elements are separated by a slot.
  • this allows a better mixing of deflected by the guide elements coolant, since the flowing in the slot-near areas coolant by turbulence and turbulence and the flow along the mutual guide element coolant can influence and mix with this.
  • the guide elements are plate-like and close with the channel longitudinal axis in each case an angle of attack, which is a maximum of 35 °.
  • the embodiment in which the wall thickness of the first region of the insert is greater than the wall thickness of the guide elements and in which the first region for supporting mutually opposite cooling channel walls is partially connected thereto.
  • a solid material connection between the inserted insert and the cooling channel walls is produced, wherein the first region of the insert additionally in the manner of a rib enables a stiffening of the cooling channel walls or of the component. So that the forces to be absorbed by the first region do not cause any damage, this is made thicker than the guide elements, which have no supporting function.
  • each insert has a plurality of guide elements, whereby a particularly intense turbulence of the coolant flowing in the cooling channel can be achieved.
  • the first region is substantially plate-shaped, with its surface extending parallel to the channel longitudinal axis. The first area thus blocks the flow cross section of the cooling channel only to a small extent.
  • a plurality of inserts may be arranged in a cooling passage section and thereby form a group.
  • a plurality of inserts or a plurality of groups can be arranged one after the other in the cooling channel, wherein successively arranged inserts or groups are each arranged rotated against each other.
  • this is a special efficient mixing of the hotter and colder flow areas of the refrigerant flowing along in the cooling channel achieved.
  • the cooling channel is preferably arranged in a hot gas-charged component of a gas turbine and can be designed as a turbine blade, as a combustion chamber, as a guide ring segment or as a gas turbine housing.
  • FIG. 1 and FIG. 2 each show a longitudinal section through a cooling channel 10 according to the invention, which is arranged in a component 12 to be cooled.
  • the component 12 may be configured, for example, as a turbine blade, a combustion chamber, a guide ring segment opposite a turbine blade or as a gas turbine housing.
  • the cooling channel 10 comprises a channel longitudinal axis 14, along which the cooling channel 10 extends.
  • the cooling channel 10 is thereby limited by at least one cooling channel wall 16 along its extension.
  • the outer side 18 of the cooling channel wall 16 can be flowed around by a hot gas, which is used in the gas turbine for generating mechanical energy.
  • the cooling channel 10 if it is circular in cross-section, have only one cooling channel wall 16.
  • cooling channel 10 as in the present example in 1 and FIG. 2 , but rectangular, so four total, mutually opposite cooling channel walls 16 are present, of which are usually a couple to cool. This is the case, for example, in the case of an airfoil of a turbine blade, which has a plurality of cooling channels successive along the airfoil center line.
  • each insert 20 comprises a first region 22 and a second region 24.
  • the second region 24 in this case comprises at least two guide elements 26, which are mutually inclined in the opposite direction. This is explained in more detail by way of example on insert 20a.
  • the second region 24 of the insert 20a comprises a first, upwardly inclined guide element 26a and a second, according to FIG FIG. 1 downwardly inclined guide element 26b.
  • the guide elements 26a, 26b are arranged offset from each other along an axis perpendicular to the plane of the drawing and thereby separated by a slot, not shown.
  • the inclination of the guide elements 26 is chosen so that they include ⁇ with the channel longitudinal axis 14 each have an angle of attack, which is a maximum of 35 °.
  • Several arranged in a section 30 of the cooling channel 10 inserts 20 thereby form a group 32 of inserts 20, wherein - viewed along the channel longitudinal axis 14 - a plurality of groups 32 and thus a plurality of inserts 20 may be arranged one after the other.
  • the successive along the channel longitudinal axis 14 inserts 20 and groups 32 of inserts 20 are preferably arranged at an angle of 90 ° to each other rotated, which in accordance with the different sectional views 1 and FIG. 2 is shown.
  • the cooling channel 10 has an inflow region 34, in which cooling air 36 can be fed into the cooling channel 10 as coolant.
  • the cooling air flowing along the cooling channel axis 14 is deflected by the second regions 24 of the elements 20 according to the arrows 38.
  • at least a portion of the coolant to the Cooling channel wall deflected, whereby in this area a kind of impingement cooling of the cooling channel wall can be achieved.
  • the impingement cooling further leads to a disturbance of the flow and temperature boundary layers on the cooling channel walls 16, which leads to a higher total heat transfer. Accordingly, the cooling air 36 can absorb and dissipate the heat energy present in the channel walls 16 in a particularly efficient manner.
  • the guide elements 26, which are inclined alternately in the opposite direction a particularly efficient mixing of hotter and colder flow areas according to the arrows 40 can be achieved. Due to the enlargement of the surface to be overflowed by the cooling air 36 through the use of the inserts 20, the cross-sectional area available for the flow of the cooling air 36 is reduced, whereby the speed of the cooling air flow itself can be increased.
  • the wall thickness of the first portion 22 of the insert 20 is greater than the wall thickness of the vanes 26.
  • the first portions 22 of the insert 20 are configured to support and stiffen opposite cooling channel walls 16.
  • the cooling channel walls 16 can then be connected to the first regions 22, for example by soldering or welding.
  • One of the connection regions 44 is in FIG. 2 indicated schematically. If the cooling channel 10 is closed along its longitudinal extent, an obstruction of the cooling channel 10 can be used to increase the throughflow rate while maintaining the cooling air mass flow. The increase in the flow velocity leads to an improved absorption of the heat energy present in the cooling walls 16 by the cooling air convectionally flowing past them.
  • the invention provides a cooling channel 10 for a component 12 to be cooled, in which a plurality of sheet-like inserts 20 are arranged.
  • the inserts 20 include a first region 22 and a second plate-shaped region 24, wherein the second region 24 comprises at least two guide elements 26 which are mutually inclined in the opposite direction.
  • a partial obstruction of the cooling channel 10 should take place, the main effect for reducing the flow cross section not being achieved by a mechanical blockade, but by enlarging the surface of the insert 20 to be flowed over, at which flow boundary layers form .
  • a part of the cooling air 36 flowing along in the cooling channel 10 is to be directed to areas of the hot cooling channel walls 16, which leads to some extent to an impingement cooling of the respective cooling channel area.
  • the existing at the channel walls 16 flow and temperature boundary layers are disturbed, both effects contribute to a higher heat transfer.
  • the inserts 20 promote a better mixing of hotter, ie cooling channel wall near cooling air flow and colder, ie wall remote (central) cooling air flow through the alternating arrangement of inclined in the opposite direction plate-shaped vanes 26.
  • a cooling channel 10 according to the invention in a component to be cooled 12th
  • a turbine blade, a combustion chamber, a guide ring segment or a gas turbine housing can be reduced while maintaining a constant cooling efficiency, the necessary amount of cooling air.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kühlkanal (10) für ein zu kühlendes Bauteil (12), in welchem mehrere blechartige Einsätze (20) angeordnet sind. Die erfindungsgemäßen Einsätze (20) umfassen einen ersten Bereich (22) und einen zweiten plattenförmigen Bereich (24), wobei der zweite Bereich (24) mindestens zwei Leitelemente (26) umfasst, die wechselseitig in entgegengesetzter Richtung geneigt sind. Durch die Verwendung des Einsatzes (20) soll einerseits eine teilweise Versperrung des Kühlkanals (10) erfolgen. Andererseits soll ein Teil der im Kühlkanal (10) entlang strömenden Kühlluft (36) auf Bereiche der heißen Kühlkanalwände (16) geleitet werden, was in gewissem Maße zu einer Prallkühlung des betreffenden Kühlkanalbereichs führen soll. Gleichfalls werden dadurch die an den Kanalwänden (16) vorhandenen Strömungs- und Temperaturgrenzschichten gestört, wobei beide Effekte schließlich zu einem höheren Wärmeübergang führen. Des Weiteren unterstützen die Einsätze (20) eine bessere Durchmischung von heißerer, d. h. kühlkanalwandnaher Kühlluftströmung und kälterer, d. h. wandferner (zentraler) Kühlluftströmung durch die wechselnde Anordnung der in entgegengesetzter Richtung geneigten plattenförmigen Leitelemente (26).

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kühlkanal für ein zu kühlendes Bauteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Es ist bekannt, insbesondere Turbinenschaufeln von Gasturbinen während des Betriebs der Gasturbine mit Kühlluft zu kühlen. Hierzu weisen die in der Regel gegossenen Turbinenschaufeln Hohlräume auf, welche von Kühlluft durchströmbar sind. Die oberflächennah angeordneten Hohlräume können mit Hindurchführen von Kühlluft als Kühlkanäle bezeichnet werden und dienen zur Kühlung der dem Heißgas ausgesetzten Außenwände der Turbinenschaufel. Die Kühlung der Turbinenschaufel erfolgt, damit deren Material den während des Betriebs der Gasturbine auftretenden hohen Heißgastemperaturen dauerhaft standhalten kann. Die zu Kühlzwecken vorgesehene Kühlluft wird in der Regel dem Verdichtermassenstrom entnommen. Die Entnahme von Kühlluft reduziert in ungewollter, jedoch in zwangsweise hinzunehmender Weise den Wirkungsgrad der Gasturbine.
  • Außerdem ist es zur Vermeidung von NOx-Emissionen und akustischen Problemen in der Brennkammer bei immer höher werdenden Turbineneintrittstemperaturen notwendig, immer mehr Kühlluft einzusparen. Durch den daraus resultierenden geringeren Kühlluftmassenstrom ergibt sich in den Kühlkanälen eine geringere Strömungsgeschwindigkeit für die Kühlluft, die zwangsläufig zu einem geringeren konvektiven Wärmeübergang an den Kanalwänden führt.
  • Zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der in den Kühlkanälen strömenden Kühlluft werden heutzutage in diesen Einsätze angeordnet, welche den Strömungsquerschnitt des Kühlkanals wesentlich verringern und dabei gleichzeitig eine Verdrängung der im Kanal strömenden Kühlluft zu den Kanalwänden hin bewirkt. Dies führt einerseits dazu, dass aufgrund des geringeren Durchströmungsquerschnitts des Kühlkanals sich eine höhere Strömungsgeschwindigkeit für die Kühlluft einstellt. Andererseits wird vermieden, dass Kühlluft im Zentrum des Kühlkanals ungenutzt entlang strömen kann.
  • Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Kühlkanals eines zu kühlenden Bauteils, der eine weitere Absenkung des Kühlmittelmassenstroms bei Aufrechterhaltung der bisherigen Kühlkapazität oder der eine verbesserte Kühlkapazität - in Bezug auf einen gleichgroßen Kühlmittelmassenstrom - ermöglicht.
  • Die Lösung sieht vor, dass der im Kühlkanal angeordnete Einsatz im Wesentlichen blechartig ausgebildet ist und einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aufweist, wobei der zweite Bereich mindestens zwei sich gegenüber dem ersten Bereich geneigte Leitelemente umfasst, welche wechselseitig in entgegengesetzter Richtung geneigt sind.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine teilweise Versperrung des Strömungsquerschnitts des Kühlkanals, d.h. eine Reduzierung der für die Durchströmung zur Verfügung stehenden Fläche auch dadurch erfolgen kann, dass der Einsatz eine besonders große, zusätzlich zu überströmende Oberfläche umfasst. Der Haupteffekt der Versperrung soll somit nicht durch eine beträchtliche mechanische Blockade des Strömungsquerschnittes erfolgen. Die Versperrung, d.h. die Verringerung des zu durchströmenden Strömungsquerschnittes des Kühlkanals soll erfindungsgemäß durch die Vergrößerung der zusätzlich zu überströmenden Oberfläche im Kühlkanal erreicht werden, an welchen Oberflächen sich üblicherweise Strömungsgrenzschichten ausbilden. Durch das Ausbilden von Strömungsgrenzschichten kann die Hauptströmung entlang des Kühlkanals an die Oberflächen des Einsatzes angelenkt werden, was ebenfalls den effektiven Strömungsquerschnitt reduziert. Für den Fall, dass es sich um einen geschlossenen Kühlkanal handelt, kann somit eine Erhöhung der Durchströmungsgeschwindigkeit des Kühlmittels erzielt werden, was den kühlkanalseitigen Wärmeübergangskoeffizienten wesentlich verbessert. Das Kühlmittel kann dementsprechend einfacher Wärme aus der heißeren Kühlkanalwand aufnehmen und abtransportieren. Hierdurch kann Kühlmittel eingespart werden, welches dann dem Verbrennungsprozess wirkungsgradsteigernd zur Verfügung steht.
  • Zudem kann durch die mindestens zwei geneigten Leitelemente, welche wechselseitig in entgegensetzter Richtung geneigt sind, eine gerichtete Kühlmittelströmung auf die heißeren Kühlkanalwände erreicht werden. Somit wird an dedizierten Abschnitten oder Bereichen der Kühlkanalwand erstens ein gewisser Prallkühleffekt erzielt. Zweitens kann dort die Strömungs- und Temperaturgrenzschicht an den Kanalwänden gestört werden. Beide Effekte führen zu einem weiter verbesserten Wärmeübergang, ohne dass die Menge an Kühlmittel dafür weiter erhöht werden muss.
  • Ferner kann mit dem erfindungsgemäßen Einsatz eine Durchmischung der heißeren und kälteren Strömungsbereiche erreicht werden. Üblicher Weise bilden sich im zur konvektiven Kühlung vorgesehenen Kühlkanal eine wandnahe und eine wandferne, zentrale Strömung aus. Die wandnahe Strömung heizt sich mehr auf als die im Zentrum des Kanals auftretende Strömung, so dass die wandnahe Strömung einen heißeren Strömungsbereich und die wandferne Strömung einen kälteren Strömungsbereich darstellen. Durch die wechselnde Anordnung der Leitelemente in entgegengesetzter Richtung wird die im Zentrum des Kühlkanals strömende Teilströmung auch zu den Kühlkanalwänden hingeleitet und der nahe einer Kühlkanalwand strömende Teilstrom wird zum Zentrum des Kühlkanals umgelenkt. Durch die Umlenkung und durch die vorhandenen Kanten der Leitelemente entstehen Sekundärströmungen, insbesondere longitudinale Wirbelstrukturen, welche zu einer besonders gute Durchmischung von heißeren und kühleren Strömungsbereichen führt. Durch die gesteigerte Durchmischung kann das den Kühlkanal durchströmende Kühlmittel besonders gleichmäßig erwärmt und somit besonders effizient ausgenutzt werden.
  • Die Struktur jedes Einsatzes umfasst einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich. Der erste Bereich ist plattenförmig ausgebildet und somit blechartig. Der zweite Bereich umfasst zwei plattenartige Elemente, welche - bezogen auf die Erstreckung des ersten Bereichs - wechselseitig in entgegengesetzter Richtung geneigt sind, wodurch sie das an ihnen entlang strömende Kühlmittel umleiten können; sie wirken dann erfindungsgemäß als Leitelemente. In einer Seitenansicht weist der Einsatz somit die Form eines ,Y' auf, wobei der untere Teil des ,Y' vom ersten Bereich gebildet werden und die beiden nach oben ragenden Arme des ,Y' jeweils von einem Leitelement gebildet wird, welche dabei in räumlicher Tiefe zueinander versetzt sind. Aufgrund der insgesamt blechartigen Ausführung des Einsatzes kann dieser besonders einfach in glatte und geradlinige Kühlkanäle eingeschoben werden. Der Einsatz kann aufgrund seiner flexiblen blechartigen Struktur in gekrümmte Kühlkanäle eingeschoben und verwendet werden.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung sind die Leitelemente durch einen Schlitz voneinander getrennt. Neben einer einfacheren Herstellbarkeit des Einsatzes ermöglicht dies eine bessere Durchmischung von durch die Leitelemente umgelenkten Kühlmittel, da das in den schlitznahen Bereichen strömende Kühlmittel durch Verwirbelung und Turbulation auch das entlang des wechselseitigen Leitelements strömende Kühlmittel beeinflussen und sich mit diesem durchmischen kann.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Leitelemente plattenartig ausgebildet und schließen mit der Kanallängsachse jeweils einen Anstellwinkel ein, welcher maximal 35° beträgt. Durch einen derartig kleinen Anstellwinkel können Ablösungen der Kühlmittelströmung im Bereich des Einsatzes vermieden werden. Ablösungen würden zu einem größeren Druckverlust im Kühlkanal führen. Zudem prallt das von den Leitelementen umgelenkte Kühlmittel in einem ebenso kleinen Winkel auf die Kanalwand. Obgleich des kleinen Aufprallwinkels kann die Grenzschichtströmung an der Kanalwand dort ausreichend gestört werden, um einen verbesserten Wärmeübergang zu erreichen. Auch ein übermäßiger Druckverlust durch eine eventuell zu stark umgelenkte Teilströmung kann somit vermieden werden.
  • Besonders bevorzugt ist die Ausgestaltung, bei der die Wanddicke des ersten Bereichs des Einsatzes größer ist als die Wanddicke der Leitelemente und bei der der erste Bereich zur Abstützung von einander gegenüberliegenden Kühlkanalwänden teilweise mit diesen verbunden ist. Für diese Ausgestaltung wird eine feste Materialverbindung zwischen dem eingeschobenen Einsatz und den Kühlkanalwänden hergestellt, wobei der erste Bereich des Einsatzes zusätzlich nach Art einer Rippe eine Versteifung der Kühlkanalwände bzw. des Bauteils ermöglicht. Damit die von dem ersten Bereich aufzunehmenden Kräfte keine Schädigung dessen bewirken, ist dieser dicker ausgeführt als die Leitelemente, welche keine tragende Funktion aufweisen.
  • Vorzugsweise weist jeder Einsatz eine Vielzahl von Leitelementen auf, wodurch eine besonders intensive Verwirbelung des im Kühlkanal strömenden Kühlmittels erreicht werden kann. Da lediglich die Leitelemente eine Umlenkung des im Kanal entlang strömenden Kühlmittels bewirken sollen, ist der erste Bereich im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet, wobei sich dessen Oberfläche parallel zur Kanallängsachse erstreckt. Der erste Bereich verblockt somit nur in geringem Maße den Strömungsquerschnitt des Kühlkanals.
  • Zweckmäßigerweise können mehrere Einsätze in einem Kühlkanalabschnitt angeordnet sein und dabei eine Gruppe bilden. Ebenso können mehrere Einsätze oder mehrere Gruppen nacheinander im Kühlkanal angeordnet sein, wobei nacheinander angeordnete Einsätze oder Gruppen jeweils gegeneinander verdreht angeordnet sind. Insbesondere hierdurch wird eine besonders effiziente Durchmischung der heißeren und kälteren Strömungsbereiche des im Kühlkanal entlang strömenden Kühlmittels erreicht.
  • Der Kühlkanal ist vorzugsweise in einem heißgasbeaufschlagten Bauteil einer Gasturbine angeordnet und kann dabei als Turbinenschaufel, als Brennkammer, als Führungsringsegment oder als Gasturbinengehäuse ausgebildet sein.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels, welches in der Zeichnung dargestellt ist, näher beschrieben. Weitere Merkmale der Erfindung und weitere Vorzüge sind zudem in der Figurenbeschreibung aufgeführt.
  • Es zeigen:
    • FIG 1
    einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kühlkanal mit mehreren darin angeordneten Einsätzen,
    FIG 2
    den Längsschnitt gemäß Schnitt II-II durch einen Kühlkanal gemäß FIG 1.
  • FIG 1 und FIG 2 zeigen jeweils einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kühlkanal 10, welcher in einem zu kühlenden Bauteil 12 angeordnet ist. Das Bauteil 12 kann beispielsweise als eine Turbinenschaufel, eine Brennkammer, ein einer Turbinenlaufschaufel gegenüberliegendes Führungsringsegment oder als ein Gasturbinengehäuse ausgebildet sein. Der Kühlkanal 10 umfasst eine Kanallängsachse 14, entlang derer sich der Kühlkanal 10 erstreckt. Der Kühlkanal 10 wird dabei von mindestens einer Kühlkanalwand 16 entlang seiner Erstreckung begrenzt. In der Regel ist die Außenseite 18 der Kühlkanalwand 16 von einem Heißgas umströmbar, welches in der Gasturbine zur Erzeugung mechanischer Energie eingesetzt wird. Beispielsweise kann der Kühlkanal 10, sofern er im Querschnitt gesehen kreisförmig ist, lediglich eine Kühlkanalwand 16 aufweisen. Ist der Kühlkanal 10, wie im vorliegenden Beispiel in FIG 1 und FIG 2, jedoch rechteckig, so sind insgesamt vier, einander paarweise gegenüberliegende Kühlkanalwände 16 vorhanden, von denen in der Regel ein Paar zu kühlen sind. Dies ist beispielsweise bei einem Schaufelblatt einer Turbinenschaufel der Fall, welche mehrere entlang der Schaufelblattmittenlinie aufeinanderfolgende Kühlkanäle aufweist.
  • Im Kühlkanal 10 ist eine Vielzahl von Einsätzen 20 angeordnet. Jeder Einsatz 20 umfasst einen ersten Bereich 22 sowie einen zweiten Bereich 24. Der zweite Bereich 24 umfasst dabei mindestens zwei Leitelemente 26, welche wechselseitig in entgegengesetzter Richtung geneigt sind. Dies wird exemplarisch am Einsatz 20a näher erläutert. Der zweite Bereich 24 des Einsatzes 20a umfasst ein erstes, nach oben geneigtes Leitelement 26a sowie ein zweites, gemäß FIG 1 nach unten geneigtes Leitelement 26b. Die Leitelemente 26a, 26b sind entlang einer senkrecht zur Zeichnungsebene stehenden Achse versetzt zueinander angeordnet und dabei durch einen nicht weiter dargestellten Schlitz voneinander getrennt. Die Neigung der Leitelemente 26 ist dabei so gewählt, dass sie mit der Kanallängsachse 14 jeweils einen Anstellwinkel α einschließen, welcher maximal 35° beträgt. Mehrere in einem Abschnitt 30 des Kühlkanals 10 angeordnete Einsätze 20 bilden dabei eine Gruppe 32 von Einsätzen 20, wobei - entlang der Kanallängsachse 14 betrachtet - mehrere Gruppen 32 und somit mehrere Einsätze 20 nacheinander angeordnet sein können.
  • Die entlang der Kanallängsachse 14 aufeinanderfolgenden Einsätze 20 bzw. Gruppen 32 von Einsätzen 20 sind dabei vorzugsweise um einen Winkel von jeweils 90° gegeneinander verdreht angeordnet, was in den unterschiedlichen Schnittdarstellungen gemäß FIG 1 und FIG 2 dargestellt ist. Der Kühlkanal 10 weist einen Einströmbereich 34 auf, in dem als Kühlmittel Kühlluft 36 in den Kühlkanal 10 eingespeist werden kann. Die entlang der Kühlkanalachse 14 strömende Kühlluft wird von den zweiten Bereichen 24 der Elemente 20 gemäß den Pfeilen 38 umgelenkt. Hierdurch wird zumindest ein Teil des Kühlmittels auf die Kühlkanalwand umgelenkt, wodurch in diesem Bereich eine Art Prallkühlung der Kühlkanalwand erreicht werden kann. Die Prallkühlung führt weiter zu einer Störung der Strömungs- und Temperaturgrenzschichten an den Kühlkanalwänden 16, was insgesamt zu einem höheren Wärmeübergang führt. Dementsprechend kann die Kühlluft 36 die in den Kanalwänden 16 vorhandene Wärmeenergie besonders effizient aufnehmen und abtransportieren. Aufgrund der wechselseitig in entgegengesetzter Richtung geneigten Leitelemente 26 kann zudem eine besonders effiziente Durchmischung von heißeren und kälteren Strömungsbereichen gemäß den Pfeilen 40 erreicht werden. Aufgrund der Vergrößerung der von der Kühlluft 36 zu überströmenden Fläche durch die Verwendung der Einsätze 20 erfolgt eine Reduzierung der für die Durchströmung der Kühlluft 36 zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche, wodurch die Geschwindigkeit der Kühlluftströmung selber erhöht werden kann.
  • Obwohl nicht weiter dargestellt ist es möglich, dass die Wanddicke des ersten Bereichs 22 des Einsatzes 20 größer ist als die Wanddicke der Leitelemente 26. In diesem Fall sind die ersten Bereiche 22 des Einsatzes 20 zur Abstützung und zur Versteifung gegenüberliegender Kühlkanalwände 16 ausgebildet. Die Kühlkanalwände 16 können dann mit den ersten Bereichen 22 beispielsweise durch Löten oder Schweißen verbunden sein. Einer der Verbindungsbereiche 44 ist in FIG 2 schematisch angedeutet. Sofern der Kühlkanal 10 entlang seiner Längserstreckung geschlossen ist, kann durch die Versperrung des Kühlkanals 10 eine Erhöhung der Durchströmungsgeschwindigkeit bei gleichbleibendem Kühlluftmassenstrom erreicht werden. Die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit führt zu einer verbesserten Aufnahme der in den Kühlwänden 16 vorhandenen Wärmeenergie durch die daran konvektiv vorbeiströmende Kühlluft.
  • Insgesamt wird mit der Erfindung ein Kühlkanal 10 für ein zu kühlendes Bauteil 12 angegeben, in welchem mehrere blechartige Einsätze 20 angeordnet sind. Die Einsätze 20 umfassen einen ersten Bereich 22 und einen zweiten plattenförmigen Bereich 24, wobei der zweite Bereich 24 mindestens zwei Leitelemente 26 umfasst, die wechselseitig in entgegengesetzter Richtung geneigt sind. Durch die Verwendung des Einsatzes 20 soll einerseits eine teilweise Versperrung des Kühlkanals 10 erfolgen, wobei der Haupteffekt zur Verringerung des Strömungsquerschnitts nicht durch eine mechanische Blockade erzielt werden soll, sondern durch die Vergrößerung der zusätzlich zu überströmenden Oberfläche des Einsatzes 20, an welcher sich Strömungsgrenzschichten ausbilden. Andererseits soll ein Teil der im Kühlkanal 10 entlang strömenden Kühlluft 36 auf Bereiche der heißen Kühlkanalwände 16 geleitet werden, was in gewissem Maße zu einer Prallkühlung des betreffenden Kühlkanalbereichs führt. Gleichfalls werden dadurch die an den Kanalwänden 16 vorhandenen Strömungs- und Temperaturgrenzschichten gestört, wobei beide Effekte zu einem höheren Wärmeübergang beitragen. Des Weiteren unterstützen die Einsätze 20 eine bessere Durchmischung von heißerer, d. h. kühlkanalwandnaher Kühlluftströmung und kälterer, d. h. wandferner (zentraler) Kühlluftströmung durch die wechselnde Anordnung der in entgegengesetzter Richtung geneigten plattenförmigen Leitelemente 26. Durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Kühlkanals 10 in einem zu kühlenden Bauteil 12, beispielsweise in einer Turbinenschaufel, einer Brennkammer, eines Führungsringsegments oder eines Gasturbinengehäuses kann entweder unter Aufrechterhaltung einer gleichbleibenden Kühleffektivität die dafür notwendige Menge an Kühlluft reduziert werden. Oder es ist möglich, bei gleichgroßer Kühlluftmenge eine verbesserte Kühlung des zu kühlenden Bauteils 12 anzugeben.

Claims (14)

  1. Kühlkanal (10) für ein zu kühlendes Bauteil (12),
    mit einer Kanallängsachse (14), entlang derer sich der Kühlkanal (10) erstreckt und
    mit mindestens einer Kühlkanalwand (16), die den Kühlkanal (10) entlang seiner Erstreckung begrenzt sowie
    mit zumindest einem im Kühlkanal (10) angeordneten Einsatz (20), welcher Einsatz (20) derartig ausgebildet ist, dass zumindest Bereiche (24) dessen eine Umlenkung des entlang des Kühlkanals (10) strömenden Kühlmittels (36) auf einen Abschnitt der Kühlkanalwand (16) bewirkt,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Einsatz (20) im Wesentlichen blechartig ausgebildet ist und einen ersten Bereich (22) und einen zweiten Bereich (24) aufweist,
    wobei der zweite Bereich (24) mindestens zwei, sich gegenüber dem ersten Bereich (22) geneigte Leitelemente (26) umfasst, welche wechselseitig in entgegengesetzter Richtung geneigt sind.
  2. Kühlkanal (10) nach Anspruch 1,
    bei dem die Leitelemente (26) durch einen Schlitz voneinander getrennt sind.
  3. Kühlkanal (10) nach Anspruch 1 oder 2,
    bei dem die Leitelemente (26) plattenartig ausgebildet sind und mit der Kanallängsachse (14) jeweils einen Anstellwinkel (α) einschließen, welcher maximal 35° beträgt.
  4. Kühlkanal (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
    bei dem die Wanddicke des ersten Bereichs (22) des Einsatzes (20) größer ist als die Wanddicke der Leitelemente (26) und
    bei dem zur Abstützung der Kühlkanalwände (16) gegeneinander zumindest der erste Bereich (22) teilweise mit den Kühlkanalwänden (16) verbunden ist.
  5. Kühlkanal (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem Einsatz (20) flexibel ausgebildet ist und der Kühlkanal (10) entlang seiner Kanallängsachse (14) gekrümmt ist.
  6. Kühlkanal (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Einsatz (20) eine Vielzahl von Leitelementen (26) aufweist.
  7. Kühlkanal (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der erste Bereich (22) plattenförmig ausgebildet ist und dessen Oberfläche sich parallel zur Kanallängsachse (14) erstreckt.
  8. Kühlkanal (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, in dem in einem Kühlkanalabschnitt mehrere Einsätze (20) unter Bildung einer Gruppe nebeneinander angeordnet sind.
  9. Kühlkanal (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, in dem entlang der Kanallängsachse (14) mehrere Einsätze (20) nacheinander angeordnet sind.
  10. Kühlkanal (10) nach Anspruch 9,
    in dem nacheinander angeordnete Einsätze (20) jeweils zueinander verdreht angeordnet sind.
  11. Kühlkanal (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, welcher entlang seiner Kanallängsachse (14) geschlossen ist.
  12. Bauteil (12) mit mindestens einem Kühlkanal (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
  13. Bauteil (12) nach Anspruch 12,
    welches als Turbinenschaufel, als Brennkammer, als Führungsringsegment oder als Gasturbinengehäuse ausgebildet ist.
  14. Gasturbine mit mindestens einem Bauteil (12) nach einem der Ansprüche 12 oder 13.
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