CH687828A5

CH687828A5 - Surface-cooling system

Info

Publication number: CH687828A5
Application number: CH01085/93A
Authority: CH
Inventors: Yau-Pin Chyou; Adnan Eroglu; Rainer Dr Hocker; Thomas Dr Sattelmayer
Original assignee: Asea Brown Boveri
Priority date: 1993-04-08
Filing date: 1993-04-08
Publication date: 1997-02-28

Abstract

The system is for a wall or gap, over or through which flow takes place. Several eddy-generators (9) are mounted alongside each other, each having a top (10) and two side (11, 13) surfaces. The latter are flush with a smooth wall (21), an angle (a) being included by them to form an arrow shape. The top surface has an edge (15) by which it bears against the same wall. Its lengthwise edges (12, 14) which are flush with those of the side surfaces protruding into the air current, include an angle (e) with the wall.

Description

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CH 687 828 A5 CH 687 828 A5

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Beschreibung description

Technisches Gebiet Technical field

Die Erfindung betrifft eine Oberflächen-Kühlvorrichtung für eine Wand- oder Spaltströmung, bei welcher an einer Wand befestigte, strömungsbeein-flussende Mittel angeordnet sind. The invention relates to a surface cooling device for a wall or gap flow, in which wall-affecting, flow-influencing means are arranged.

Stand der Technik State of the art

Moderne Gasturbinen werden hinsichtlich besserer Kreislaufwirkungsgrade mit immer höheren Eintrittstemperaturen ausgeführt. Es werden deshalb für die von den Heissgasen durchströmten und umströmten Teile wirkungsvolle Kühlmethoden auf Konvektionsbasis verlangt, die mit minimalen Kühlluftmengen bei gleichzeitig kleinstem Druckverlust arbeiten. Konventionelle Methoden arbeiten zum verbesserten Wärmeübergang mit den eingangs erwähnten strömungsbeeinflussenden Mittel in Form von beispielsweise Rippen unterschiedlichster Geometrien, die an der zu kühlenden Wand angeordnet sind. An diesen Rippen löst die Kühlmittelströmung ab und legt sich weiter stromabwärts wieder an die Wand an. An den Ablösestellen und den Stellen des Wiederanliegens der Strömung können lokale Maxima des Wärmeübergangskoeffizienten festgestellt werden. Bestimmte Anstellwinkel der Rippen zur Kühlmittelströmung haben Sekundärströmungen zur Folge, die sich - bei geringem Druckabfall -günstig auf den Transport der kalten Kernströmung im Spalt zu den zu kühlenden Stellen auswirken. Modern gas turbines are designed with ever higher inlet temperatures with regard to better cycle efficiency. Therefore, effective convection-based cooling methods are required for the parts through which the hot gases flow and around which work with minimal amounts of cooling air and at the same time the lowest pressure loss. Conventional methods work to improve heat transfer with the flow-influencing agents mentioned at the beginning in the form of, for example, fins of the most varied geometries, which are arranged on the wall to be cooled. The coolant flow separates at these fins and lies back against the wall further downstream. Local maxima of the heat transfer coefficient can be determined at the separation points and the points where the flow resumes. Certain angles of incidence of the fins to the coolant flow result in secondary flows which, with a low pressure drop, have a favorable effect on the transport of the cold core flow in the gap to the locations to be cooled.

Indes ist die Verbesserung des Wärmeübergangs mit derartigen Mitteln nicht gleichmässig über der zu kühlenden Oberfläche infolge von Rezirkulations-blasen, die an jeder Rippe entstehen. Darüberhinaus zeichnen sich die Elemente durch einen relativ grossen Druckverlust aus, verglichen mit der erzielbaren Erhöhung des Wärmeübergangs; in vielen Fällen wird deshalb bevorzugt zu einer Erhöhung der Kühlluftmenge gegriffen, um die erforderliche Kühlung zu bewirken. However, the improvement of the heat transfer with such means is not uniform over the surface to be cooled as a result of recirculation bubbles which occur on each fin. In addition, the elements are characterized by a relatively large pressure drop compared to the achievable increase in heat transfer; in many cases, therefore, an increase in the amount of cooling air is preferred in order to achieve the required cooling.

Darstellung der Erfindung Presentation of the invention

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Ihr liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, an einer zu kühlenden Wandung eine Vorrichtung zu schaffen, mit der im Kühlmedium Längswirbel ohne Rezirkulationsge-biet erzeugt werden können, die Fluid zwischen wandnaher Strömung und Hauptströmung austauschen. The invention seeks to remedy this. It is therefore based on the task of creating a device on a wall to be cooled, with which longitudinal vortices can be generated in the cooling medium without a recirculation area, which exchange fluid between the flow near the wall and the main flow.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, According to the invention, this is achieved by

- dass die Mittel Wirbel-Generatoren sind, von denen über der Breite oder dem Umfang eines Spaltes oder einer umströmten Wand mehrere nebeneinander angeordnet sind, that the means are vortex generators, of which several are arranged next to one another over the width or the circumference of a gap or a wall around which flow occurs,

- dass ein Wirbel-Generator drei frei umströmte Flächen aufweist, die sich in Strömungsrichtung erstrecken und von denen eine die Dachfläche und die beiden andern die Seitenflächen bilden, that a vortex generator has three freely flowing surfaces which extend in the direction of flow and one of which forms the roof surface and the other two form the side surfaces,

- dass die Seitenflächen mit einer gleichen Wand bündig sind und miteinander den Pfeilwinkel a ein-schliessen, - that the side surfaces are flush with the same wall and enclose the arrow angle a with each other,

- dass die Dachfläche mit einer quer zur Strömung verlaufenden Kante an der gleichen Wand anliegt wie die Seitenwände, - that the roof surface lies with an edge running transversely to the flow against the same wall as the side walls,

- und dass die längsgerichteten Kanten der Dachfläche, die bündig sind mit den in die Strömung hineinragenden längsgerichteten Kanten der Seitenflächen unter einem Anstellwinkel e zur Wand verlaufen. - And that the longitudinal edges of the roof surface, which are flush with the longitudinal edges of the side surfaces protruding into the flow, extend at an angle of attack e to the wall.

Der Vorteil eines solchen 3-dimensionalen Wirbel-Generators ist in seiner besonderen Einfachheit in jeder Hinsicht zu sehen. Fertigungstechnisch ist das aus drei umströmten Wänden bestehende Element völlig problemlos. Die Dachfläche kann mit den beiden Seitenflächen auf verschiedenste Arten zusammengefügt werden. Auch die Fixierung des Elementes an ebenen oder gekrümmten Spaltwänden kann im Falle von schweissbaren Materialien durch einfache Schweissnähte erfolgen. Selbstverständlich können die Wirbel-Generatoren auch zusammen mit den begrenzenden Wandungen vergossen werden. Vom strömungstechnischen Standpunkt her weist das Element beim Umströmen einen sehr geringen Druckverlust auf und es erzeugt Wirbel ohne Totwassergebiet. The advantage of such a 3-dimensional vortex generator can be seen in its particular simplicity in every respect. In terms of production technology, the element consisting of three walls with flow around it is completely problem-free. The roof surface can be joined with the two side surfaces in a variety of ways. The element can also be fixed to flat or curved gap walls in the case of weldable materials by simple weld seams. Of course, the vortex generators can also be cast together with the limiting walls. From a fluidic point of view, the element has a very low pressure drop when flowing around and it creates vortices without a dead water area.

Es ist angebracht, bei einer Spaltströmung das Verhältnis Höhe h der Verbindungskante der beiden Seitenflächen zur Spalthöhe H so zu wählen, dass der erzeugte Wirbel unmittelbar stromabwärts des Wirbel-Generators die volle Spalthöhe ausfüllt. In the case of a gap flow, it is appropriate to choose the ratio of the height h of the connecting edge of the two side faces to the gap height H such that the vortex generated fills the full gap height immediately downstream of the vortex generator.

Dadurch, dass über der Breite des durchströmten Spaltes mehrere Wirbel-Generatoren ohne Zwischenräume nebeneinander angeordnet sind, wird bereits kurz hinter den Wirbel-Generatoren der ganze Spaltquerschnitt von den Wirbeln voll beaufschlagt. The fact that several vortex generators are arranged side by side without gaps across the width of the flow through the gap means that the entire gap cross-section is fully acted upon by the vortexes shortly behind the vortex generators.

Es ist sinnvoll, wenn die beiden den Pfeilwinkel a einschliessenden Seitenflächen symmetrisch um eine Symmetrieachse angeordnet sind. Damit werden drallgleiche Wirbel erzeugt. It makes sense if the two side surfaces including the arrow angle a are arranged symmetrically about an axis of symmetry. This creates swirls of equal swirl.

Wenn die Symmetrieachse parallel zur Strömung verläuft, und die Verbindungskante der beiden Seitenflächen die stromabwärtige Kante des Wirbel-Generators bildet, während demzufolge die quer zur Strömung verlaufende Kante der Dachfläche die von der Strömung zuerst beaufschlagte Kante ist, so werden an einem Wirbel-Generator zwei gleiche gegenläufige Wirbel erzeugt. Es liegt ein drallneutrales Strömungsbild vor, bei welchem der Drehsinn der beiden Wirbel im Bereich der Symmetrieachse aufsteigend ist. If the axis of symmetry runs parallel to the flow and the connecting edge of the two side surfaces forms the downstream edge of the vortex generator, whereas the edge of the roof surface running transversely to the flow is the edge that is first acted upon by the flow, then two will be used on a vortex generator generated the same opposite vortex. There is a swirl-neutral flow pattern in which the direction of rotation of the two vortices is ascending in the region of the axis of symmetry.

Wenn indes die Verbindungskante der beiden Seitenflächen die von der Strömung zuerst beaufschlagte Kante ist und die quer zur Strömung verlaufende Kante der Dachfläche stromabwärts angeordnet ist, so werden an einem Wirbel-Generator ebenfalls zwei gegenläufige Wirbel erzeugt, deren Drehsinn im Bereich der Symmetrieachse absteigend gerichtet ist, so dass die Wirbel auf die mit Wirbel-Generatoren bestückte Wand selbst auftreffen. If, however, the connecting edge of the two side surfaces is the edge first acted upon by the flow and the edge of the roof surface running transversely to the flow is arranged downstream, two vortex generators are also generated on a vortex generator, the direction of rotation of which is descending in the region of the axis of symmetry , so that the vertebrae hit the wall with vortex generators themselves.

Kurze Beschreibung der Zeichnung Brief description of the drawing

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen: Several exemplary embodiments of the invention are shown schematically in the drawing. Show it:

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Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Wirbel-Generators; Figure 1 is a perspective view of a vortex generator.

Fig. 2 eine Anordnungsvariante des Wirbel-Gene-rators; 2 shows a variant of the arrangement of the vertebral generator;

Fig. 3 einen teilweisen Schnitt durch eine doppel-wandige Brennkammer mit eingebauten Wirbel-Ge-neratoren nach Linie 3-3 in Fig. 5; 3 shows a partial section through a double-walled combustion chamber with built-in vortex generators according to line 3-3 in FIG. 5;

Fig. 4 einen teilweisen Schnitt durch eine doppel-wandige Brennkammer mit eingebauten Wirbel-Ge-neratoren nach Linie 4-4 in Fig. 5; 4 shows a partial section through a double-walled combustion chamber with built-in vortex generators according to line 4-4 in FIG. 5;

Fig. 5 einen teilweisen Längsschnitt durch eine Brennkammer nach Linie 5-5 in Fig. 3; Figure 5 is a partial longitudinal section through a combustion chamber along line 5-5 in Fig. 3.

Fig. 6 eine teilweise Vorderansicht einer Brennkammer mit einer Wirbel-Generatoren-Anordnung gemäss Fig. 3 und 4 in vergrössertem Masstab; 6 shows a partial front view of a combustion chamber with a vortex generator arrangement according to FIGS. 3 and 4 on an enlarged scale;

Fig. 7 eine Ausführungsvariante nach Fig. 6 mit gegeneinander versetzten Wirbel-Generatoren; FIG. 7 shows an embodiment variant according to FIG. 6 with vortex generators offset against one another;

Fig. 8 eine zweite Anordnungsvariante für die Wirbel-Generatoren im Längsschnitt; 8 shows a second arrangement variant for the vortex generators in longitudinal section;

Fig. 9 eine im hohlen Innern mit Wirbel-Generatoren bestückte Turbomaschinenschaufel. 9 shows a turbomachine blade equipped in the hollow interior with vortex generators.

Die Strömungsrichtung des Kühlmittels ist mit Pfeilen bezeichnet. In den verschiedenen Figuren sind die gleichen Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. The direction of flow of the coolant is indicated by arrows. In the various figures, the same elements are provided with the same reference symbols.

Weg zur Ausführung der Erfindung Way of carrying out the invention

Die Oberflächen-Kühlvorrichtung besteht im wesentlichen aus einer Anzahl von Wirbel-Generatoren 9, die vom Kühlmittel umströmt sind. The surface cooling device essentially consists of a number of vortex generators 9, around which the coolant flows.

In den Fig. 1 und 2 ist der eigentliche Spalt, der von dem mit grossem Pfeil symbolisierten Kühlmittel-Strömung durchströmt wird, nicht dargestellt. Gemäss diesen Figuren besteht ein Wirbel-Generator im wesentlichen aus drei frei umströmten dreieckigen Flächen. Es sind dies eine Dachfläche 10 und zwei Seitenflächen 11 und 13. In ihrer Längserstreckung verlaufen diese Flächen unter bestimmten Winkeln in Strömungsrichtung. 1 and 2, the actual gap, which is flowed through by the coolant flow symbolized by a large arrow, is not shown. According to these figures, a vortex generator essentially consists of three free-flowing triangular surfaces. These are a roof surface 10 and two side surfaces 11 and 13. In their longitudinal extent, these surfaces run at certain angles in the direction of flow.

In sämtlichen gezeigten Beispielen stehen die beiden Seitenflächen 11 und 13 senkrecht auf der Wand 21, wobei angemerkt wird, dass dies nicht zwingend ist. Die Seitenwände, welche aus rechtwinkligen Dreiecken bestehen, sind mit ihren Längsseiten auf dieser Wand 21 fixiert, vorzugsweise gasdicht. Sie sind so orientiert, dass sie an ihren Schmalseiten einen Stoss bilden unter Einschluss eines Pfeilwinkels a. Der Stoss ist als scharfe Verbindungskante 16 ausgeführt und steht ebenfalls senkrecht zu jener Wand 21, mit welcher die Seitenflächen bündig sind. Die beiden den Pfeilwinkel a einschliessenden Seitenflächen 11, 13 sind symmetrisch in Form, Grösse und Orientierung und sind beidseitig einer Symmetrieachse 17 angeordnet. Diese Symmetrieachse 17 ist gleichgerichtet wie die Hauptströmung. In all of the examples shown, the two side surfaces 11 and 13 are perpendicular to the wall 21, it being noted that this is not mandatory. The side walls, which consist of right-angled triangles, are fixed with their long sides on this wall 21, preferably gas-tight. They are oriented so that they form a joint on their narrow sides, including an arrow angle a. The joint is designed as a sharp connecting edge 16 and is also perpendicular to that wall 21 with which the side surfaces are flush. The two side surfaces 11, 13 including the arrow angle a are symmetrical in shape, size and orientation and are arranged on both sides of an axis of symmetry 17. This axis of symmetry 17 is rectified like the main flow.

Die Dachfläche 10 liegt mit einer quer zur Hauptströmung verlaufenden und sehr flach ausgebildeten Kante 15 an der gleichen Wand 21 an wie die Seitenwände 11, 13. Ihre längsgerichteten Kanten 12, 14 sind bündig mit den in die Strömung hineinragenden längsgerichteten Kanten der Seitenflächen. Die Dachfläche verläuft unter einem Anstellwinkel 0 zur Wand 21. Ihre Längskanten 12, 14 bilden zusammen mit der Verbindungskante 16 eine Spitze 18. The roof surface 10 lies with a very flat edge 15 running transversely to the main flow on the same wall 21 as the side walls 11, 13. Its longitudinal edges 12, 14 are flush with the longitudinal edges of the side surfaces protruding into the flow. The roof surface extends at an angle of incidence 0 to the wall 21. Its longitudinal edges 12, 14 form a tip 18 together with the connecting edge 16.

Selbstverständlich kann der Wirbel-Generator auch mit einer Bodenfläche versehen sein, mit welcher er auf geeignete Art an der Wand 21 befestigt ist. Eine derartige Bodenfläche steht indes in keinem Zusammenhang mit der Wirkungsweise des Elementes. Of course, the vortex generator can also be provided with a bottom surface with which it is fastened to the wall 21 in a suitable manner. However, such a floor area is not related to the mode of operation of the element.

In Fig. 1 bildet die Verbindungskante 16 der beiden Seitenflächen 11, 13 die stromabwärtige Kante des Wirbel-Generators 9. Die quer zur Strömung verlaufende Kante 15 der Dachfläche 10 ist somit die von der Strömung zuerst beaufschlagte Kante. In FIG. 1, the connecting edge 16 of the two side surfaces 11, 13 forms the downstream edge of the vortex generator 9. The edge 15 of the roof surface 10 which runs transversely to the flow is thus the edge which is first acted upon by the flow.

Die Wirkungsweise des Wirbel-Generators ist folgende: Beim Umströmen der Kanten 12 und 14 wird die Strömung in ein Paar gegenläufiger Wirbel umgewandelt, die auf die zu kühlende Wand auftreffen. Die Wirbelachsen liegen in der Achse der Kühlmittelströmung. Auf diese Weise wird Kühlmittel aus der Kernströmung kontinuierlich an die entsprechende Wand geleitet und bewirkt dort einen raschen Wärmeaustausch zwischen Grenzschichtströmung und Kernströmung. Dabei ist die Geometrie der Wirbel-Generatoren so gewählt, dass bei der Wirbelerzeugung keine Rückströmzonen entstehen. Damit können schwachgekühlte Wandzonen vermieden werden, wie sie bei den eingangs erwähnten Rippen aufgrund der von jenen erzeugten Re-zirkulationsblasen der Fall sind. The vortex generator works as follows: When flowing around the edges 12 and 14, the flow is converted into a pair of opposing vortices that hit the wall to be cooled. The swirl axes lie in the axis of the coolant flow. In this way, coolant from the core flow is continuously conducted to the corresponding wall and there causes a rapid heat exchange between the boundary layer flow and the core flow. The geometry of the vortex generators is chosen in such a way that no backflow zones arise during vortex generation. In this way, weakly cooled wall zones can be avoided, as is the case with the ribs mentioned at the beginning due to the recirculation bubbles generated by them.

Die Drallzahl des Wirbels wird bestimmt durch entsprechende Wahl des Anstellwinkels 0 und/oder des Pfeilwinkels a. Mit steigenden Winkeln wird die Wirbelstärke bzw. die Drallzahl erhöht und der Ort des Wirbelaufplatzens (vortex break down) wandert stromaufwärts bis hin in den Bereich des Wirbel-Generators selbst. Wie bereits erwähnt, ist ein Wirbelaufplatzen für den vorliegenden Kühlzweck unerwünscht. Je nach Anwendung sind diese beiden Winkel e und a durch konstruktive Gegebenheiten und durch den Prozess selbst vorgegeben. Ange-passt werden müssen dann nur noch die Länge L des Elementes sowie die Höhe h der Verbindungskante 16 (Fig. 5). The swirl number of the vortex is determined by a corresponding choice of the angle of attack 0 and / or the arrow angle a. With increasing angles, the vortex strength or the swirl number is increased and the location of the vortex breakdown moves upstream into the area of the vortex generator itself. As already mentioned, vortex bursting is undesirable for the present cooling purpose. Depending on the application, these two angles e and a are determined by the design and by the process itself. Then only the length L of the element and the height h of the connecting edge 16 need to be adjusted (FIG. 5).

In Fig. 5, in welcher der durchströmte Spalt mit 20 bezeichnet ist, ist erkennbar, dass der Wirbel-Generator unterschiedliche Höhen gegenüber der Spalthöhe H aufweisen kann. In der Regel wird man die Höhe h der Verbindungskante 16 so mit der Spalthöhe H abstimmen, dass der erzeugte Wirbel unmittelbar stromabwärts des Wirbel-Generators bereits eine solche Grösse erreicht, dass die volle Spalthöhe H ausgefüllt wird, was zu einer gleichmässigen Geschwindigkeitsverteilung in dem beaufschlagten Querschnitt führt. Ein weiteres Kriterium, welches Einfluss auf das zu wählende Verhältnis h/H nehmen kann, ist der Druckabfall, der beim Umströmen des Wirbel-Generators auftritt. Es versteht sich, dass mit grösserem Verhältnis h/H auch der Druckverlustbeiwert ansteigt. In FIG. 5, in which the flow through the gap is designated 20, it can be seen that the vortex generator can have different heights compared to the gap height H. As a rule, the height h of the connecting edge 16 will be coordinated with the gap height H in such a way that the vortex generated immediately downstream of the vortex generator already has such a size that the full gap height H is filled, which results in a uniform velocity distribution in the Cross section leads. Another criterion that can influence the ratio h / H to be selected is the pressure drop that occurs when the vortex generator flows around. It goes without saying that the pressure loss coefficient also increases with a larger ratio h / H.

Im Gegensatz zu Fig. 1 ist in Fig. 2 die scharfe Verbindungskante 16 jene Stelle, die von der Strömung zuerst beaufschlagt wird. Das Element ist um 180 gedreht. Wie aus der Darstellung erkennbar, haben die beiden gegenläufigen Wirbel ihren Dreh5 In contrast to FIG. 1, the sharp connecting edge 16 in FIG. 2 is that point which is first acted upon by the flow. The element is rotated by 180. As can be seen from the illustration, the two opposite vortices have their rotation5

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sinn geändert. Sie rotieren oberhalb der Dachfläche entlang und streben der Wand zu, auf welcher der Wirbel-Generator montiert ist. Stromabwärts der Kante 15 wird eine rechteckige Wandfläche, deren Breite in etwa der Breite der Kante 15 entspricht, intensiv durch das Wirbelpaar gekühlt. meaning changed. They rotate along the roof surface and strive towards the wall on which the vortex generator is mounted. Downstream of the edge 15, a rectangular wall surface, the width of which approximately corresponds to the width of the edge 15, is intensively cooled by the vortex pair.

Es wird darauf hingewiesen, dass die Form des durchströmten Spaltes für die Wirkungsweise der Erfindung nicht wesentlich ist. Statt des gezeigten Kreisrings könnte es sich beim Spalt auch um ein Rechteck oder eine sonstige Querschnittsform handeln, wie dies in der später zu beschreibenden Fig. 9 gezeigt ist. Im Beispielsfall sind die Wände 21a und 21b gekrümmt. Die obige Aussage, dass die Seitenflächen senkrecht auf der Spaltwand stehen, muss in einem solchen Fall selbstverständlich relativiert werden. Massgebend ist, dass die auf der Symmetrielinie 17 liegende Verbindungskante 16 senkrecht auf der entsprechenden Wand steht. Im Fall von ringförmigen Wänden würde die Verbindungskante 16 somit radial ausgerichtet sein, wie dies in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist. It is pointed out that the shape of the flow-through gap is not essential for the mode of operation of the invention. Instead of the circular ring shown, the gap could also be a rectangle or some other cross-sectional shape, as is shown in FIG. 9 to be described later. In the example, the walls 21a and 21b are curved. In such a case, the above statement that the side surfaces are perpendicular to the gap wall must of course be relativized. It is important that the connecting edge 16 lying on the line of symmetry 17 is perpendicular to the corresponding wall. In the case of annular walls, the connecting edge 16 would thus be aligned radially, as is shown in FIGS. 3 and 4.

Die Fig. 3 und 4 zeigen jeweils teilweise einen ringförmig durchströmtem Spalt 20. Bei dieser Ringkammer könnte es sich beispielsweise um die doppelte Wandung einer Brennkammer handeln, wobei sowohl der Aussenring 21a als auch der Innenring 21b zu kühlen wären. 3 and 4 each partially show a gap 20 through which there is an annular flow. This annular chamber could be, for example, the double wall of a combustion chamber, both the outer ring 21a and the inner ring 21b having to be cooled.

Hierzu ist an beiden Spaltwänden 21a und 21b jeweils eine gleiche Anzahl von Wirbel-Generatoren 9 in Umfangsrichtung so aneinandergereiht, dass an der Wand, an der die Wirbel-Generatoren befestigt sind, keine Zwischenräume zwischen zwei benachbarten Wirbel-Generatoren entstehen. Die Höhe h der Elemente 9 beträgt ca. 80% der Spalthöhe H. In der oberen Ringhälfte sind die Wirbel-Generatoren an der äusseren Wand 21a, in der unteren Ringhälfte an der inneren Wand 21b vorgesehen. Die ringförmig verlaufenden Elemente sind, wie in Fig. 5 gezeigt, in mehreren Axialebenen vorgesehen, wobei in abwechselnder Folge die Elemente jeder in Strömungsrichtung aufeinanderfolgenden Ebene an der jeweils anderen Wand angeordnet sind. Die Kühlluftströmung erfolgt in den Fig. 3 und 4 senkrecht zur Zeichenebene; die Elemente 9 sind so orientiert, dass die Verbindungskanten stromabwärts gerichtet und somit nicht sichtbar sind. Erkennbar ist, dass der Drehsinn der erzeugten Wirbel im Bereich der Verbindungskante aufsteigend ist und dass der Wirbel jeweils die gegenüberliegende Wandung bestreicht und entsprechend kühlt. Der Abstand zwischen den hinterein-andergeschaltenen Wirbel-Generatoren wird vorzugsweise so gewählt, dass ein erzeugter Wirbel dann auf die Wand auftritt, wenn die Wirkung des Wirbels vom vorhergehenden Wirbel-Generator erschöpft ist und dessen Kühlwirkung unterhalb des erforderlichen Wertes sinkt. For this purpose, an equal number of vortex generators 9 are lined up in the circumferential direction on both gap walls 21a and 21b in such a way that there are no gaps between two adjacent vortex generators on the wall to which the vortex generators are attached. The height h of the elements 9 is approximately 80% of the gap height H. The vortex generators are provided on the outer wall 21a in the upper half of the ring and on the inner wall 21b in the lower half of the ring. As shown in FIG. 5, the annular elements are provided in a plurality of axial planes, the elements of each successive plane being arranged on the other wall in an alternating sequence. The cooling air flow takes place in FIGS. 3 and 4 perpendicular to the plane of the drawing; the elements 9 are oriented such that the connecting edges are directed downstream and are therefore not visible. It can be seen that the direction of rotation of the generated vortices is increasing in the area of the connecting edge and that the vortices in each case brush the opposite wall and cool them accordingly. The distance between the series-connected vortex generators is preferably chosen so that a vortex generated occurs on the wall when the vortex generator is exhausted from the previous vortex generator and its cooling effect drops below the required value.

Die Wirkung von nacheinandergeschalteten Wirbel-Generatoren ist in den vergrösserten Ausschnitten der Fig. 6 und 7 zu sehen. The effect of vortex generators connected in series can be seen in the enlarged sections of FIGS. 6 and 7.

In Fig. 7 liegen die Verbindungskanten 16 von je zwei hintereinanderliegenden Wirbel-Generatoren auf der gleichen Achse, oder im Beispielsfall auf einer gleichen Radialen. Die Betrachtung erfolgt von stromab, weshalb im Gegensatz zu den Fig. 3 und 4 die Verbindungskanten 16 sichtbar sind. Sofern der Axialabstand zwischen zwei mit Wirbel-Generatoren bestückten Ebenen nicht allzu gross ist, beziehungsweise bei langlebigen Wirbeln, prallen bei dieser Lösung die Wirbel in der Spaltmitte aufeinander. Im Ergebnis wird jedes von einem Element erzeugt Wirbelpaar nur die gegenüberliegende Wandung bestreichen. In FIG. 7, the connecting edges 16 of two vortex generators located one behind the other lie on the same axis, or on the same radial in the example. The observation is from downstream, which is why, in contrast to FIGS. 3 and 4, the connecting edges 16 are visible. If the axial distance between two levels equipped with vortex generators is not too great, or for long-lived vortices, the vortices collide in the middle of the gap with this solution. As a result, each pair of vertebrae generated by an element will only cover the opposite wall.

In Fig. 6 hingegen sind die Verbindungskanten 16 von je zwei hintereinanderliegenden Wirbel-Generatoren um eine halbe Teilung gegeneinander versetzt. Werden die gleichen Wirbel und axialen Abstände der Wirbel-Generatoren zugrundegelegt wie in Fig. 6, so ist erkennbar, dass die seitengleichen Wirbel sich zu einem grossen Wirbel mit einheitlichem Drehsinn kombinieren können, was zu einer gleichmässigen Kühlung beider Wände 21a und 21b und zu einer längeren Lebensdauer dieses Wirbels führt. Längere Lebensdauer hingegen könnte bedeuten, dass bei gleicher Kühlwirkung mit grösseren axialen Abstand und somit bei gegebener Spaltlänge mit weniger Wirbel-Generatoren und damit weniger Druckabfall auszukommmen ist. 6, on the other hand, the connecting edges 16 of two vortex generators located one behind the other are offset by half a division. If the same vortices and axial spacings of the vortex generators are used as in Fig. 6, it can be seen that the vortices of the same side can combine to form a large vortex with a uniform direction of rotation, which results in uniform cooling of both walls 21a and 21b and one longer lifespan of this vortex. Longer lifespan, on the other hand, could mean that with the same cooling effect with a larger axial distance and thus with a given gap length, fewer vortex generators and thus less pressure drop can be used.

Man erkennt bereits jetzt, dass durch gezielte Auslegung und Dimensonierung der Wirbel-Genera-toren ein einfaches Mittel gegeben ist, je nach Bedarf die beiden Wände mit ein und demselben Kühlmittel gleichmässig oder unterschiedlich zu kühlen. One can already see that the targeted design and dimensioning of the vortex generators provides a simple means of cooling the two walls evenly or differently with one and the same coolant, as required.

Abweichend von der in den Fig. 3 und 4 angenommenen Strömungsrichtung werden gemäss Teillängsschnitt in Fig. 5 die Verbindungskanten 16 der Wirbel-Generatoren zuerst vom Kühlmittel beaufschlagt. Auf diese Art werden Wirbel erzeugt, deren Drehsinn im Bereich der Symmetrielinie des Wirbel-Generators absteigend ist. Wie in den Fig. 2 und 5 dargestellt, kann auf diese Art die Wand, an welcher der Wirbel-Generator angeordnet ist, gekühlt werden, im Gegensatz zu den bisherigen Beispielen, in denen jeweils die gegenüberliegende Wand vom Wirbel beaufschlagt wurde. 3 and 4, the connecting edges 16 of the vortex generators are first acted on by the coolant, in accordance with the partial longitudinal section in FIG. 5. In this way, vortices are generated whose sense of rotation is descending in the area of the symmetry line of the vortex generator. As shown in FIGS. 2 and 5, the wall on which the vortex generator is arranged can be cooled in this way, in contrast to the previous examples in which the opposite wall was acted upon by the vortex.

Die selbsterklärende Fig. 8 schliesslich zeigt eine Variante, wie sie mit Vorteil zur Kühlung von nur einer Wand verwendet werden könnte. Als Beispiel seien hier Schaufeln von Turbomaschinen, insbesondere von Gasturbinen erwähnt. Zur Kühlung der Aussenwand 21a wird die doppelwandig ausgeführte Schaufel an der Innenwand 21b über dem zu kühlenden Abschnitt mit gleichgerichteten Elementen 9 versehen, deren Verbindungskanten stromab liegen. Finally, self-explanatory FIG. 8 shows a variant of how it could advantageously be used for cooling only one wall. As an example, blades of turbomachines, in particular gas turbines, may be mentioned here. To cool the outer wall 21a, the double-walled blade is provided on the inner wall 21b above the section to be cooled with elements 9 of the same direction, the connecting edges of which are located downstream.

Fig. 9 zeigt eine innengekühlte Tubinenschaufel mit vier unterschiedlichen Anordnungsvarianten für die Wirbel-Generatoren, welche je nach Schaufelquerschnitt und verfügbarem Platz zur Anwendung gelangen können. FIG. 9 shows an internally cooled tubing blade with four different arrangement variants for the vortex generators, which can be used depending on the blade cross section and available space.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht nur auf die gezeigten und beschriebenen Ausführungs- und Anwendungsbeispiele beschränkt. In Abweichung hiervon könnten bei unterschiedlichem Kühlbedarf von Aussen- und Innenwand auch Wirbel-Generato-ren unterschiedlicher Höhen, ja selbst unterschiedlicher Geometrie im Verbund vorgesehen werden. Of course, the invention is not only limited to the exemplary embodiments and examples shown and described. Deviating from this, vortex generators of different heights, even different geometries, could also be provided in the composite if the cooling requirements of the outer and inner walls differ.

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45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

4 4th

7 7

CH 687 828 A5 CH 687 828 A5

8 8th

Bezugszeichenliste Reference list

9 Wirbel-Generator 9 vortex generator

10 Dachfläche 10 roof area

11 Seitenfläche 11 side surface

12 Längskante 12 long edge

13 Seitenfläche 13 side surface

14 Längskante 14 longitudinal edge

15 quer verlaufenden Kante von 10 15 transverse edge of 10

16 Verbindungskante 16 connecting edge

17 Symmetrielinie 17 line of symmetry

18 Spitze 18 top

20, a Spalt 20, a gap

21, a, b Spaltwand e Anstellwinkel a Pfeilwinkel h Höhe von 16 21, a, b gap wall e angle of attack a arrow angle h height of 16

H Spalthöhe H gap height

L Länge des Wirbel-Generators Patentansprüche L length of the vortex generator claims

1. Oberflächen-Kühlvorrichtung für eine Wandoder Spaltströmung, bei welcher an einer Wand befestigte, strömungsbeeinflussende Mittel angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, 1. Surface cooling device for a wall or gap flow, in which wall-affecting flow-influencing means are arranged, characterized in that

- dass die Mittel Wirbel-Generatoren (9) sind, von denen über der Breite oder dem Umfang eines Spaltes (20) oder einer umströmten Wand (21) mehrere nebeneinander angeordnet sind, - That the means are vortex generators (9), of which several are arranged side by side over the width or the circumference of a gap (20) or a wall (21) around which flow occurs,

- dass ein Wirbel-Generator (9) drei frei umströmte Flächen aufweist, die sich in Strömungsrichtung erstrecken und von denen eine die Dachfläche (10) und die beiden andern die Seitenflächen (11, 13) bilden, - That a vortex generator (9) has three free-flowing surfaces that extend in the direction of flow and one of which forms the roof surface (10) and the other two the side surfaces (11, 13),

- dass die Seitenflächen (11, 13) mit einer gleichen Wand (21) bündig sind und miteinander den Reilwinkel (a) einschliessen, - That the side surfaces (11, 13) are flush with the same wall (21) and enclose the pitch angle (a) with each other,

- dass die Dachfläche (10) mit einer quer zur Strömung verlaufenden Kante (15) an der gleichen Wand (21) anliegt wie die Seitenwände, - That the roof surface (10) lies with an edge (15) running transversely to the flow on the same wall (21) as the side walls,

- und dass die längsgerichteten Kanten (12, 14) der Dachfläche, die bündig sind mit den in die Strömung hineinragenden längsgerichteten Kanten der Seitenflächen unter einem Anstellwinkel (e) zur Wand (21) verlaufen. - And that the longitudinal edges (12, 14) of the roof surface, which are flush with the longitudinal edges of the side surfaces protruding into the flow, extend at an angle (e) to the wall (21).

2. Oberflächen-Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Spaltströmung die Höhe (h) der Wirbel-Generatoren mindestens 50% der Höhe (H) des durchströmten Spaltes (20) beträgt. 2. Surface cooling device according to claim 1, characterized in that in the case of a gap flow, the height (h) of the vortex generators is at least 50% of the height (H) of the gap (20) through which it flows.

3. Oberflächen-Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Spaltströmung das Verhältnis Höhe (h) des Wirbel-Genera-tors zur Spalthöhe (H) so gewählt ist, dass der erzeugte Wirbel unmittelbar stromabwärts des Wirbel-Generators die volle Spalthöhe ausfüllt. 3. Surface cooling device according to claim 1, characterized in that in a gap flow the ratio height (h) of the vortex generator to the gap height (H) is chosen so that the vortex generated immediately downstream of the vortex generator the full gap height fills out.

4. Oberflächen-Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden den Pfeilwinkel (a) einschliessenden Seitenflächen (11, 13) des Wirbel-Generators (9) symmetrisch um eine Symmetrieachse (17) angeordnet sind. 4. Surface cooling device according to claim 1, characterized in that the two side surfaces (11, 13) of the vortex generator (9) including the arrow angle (a) are arranged symmetrically about an axis of symmetry (17).

5. Oberflächen-Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden den Pfeilwinkel (a) einschliessenden Seitenflächen (11, 13) 5. Surface cooling device according to claim 1, characterized in that the two side surfaces (11, 13) enclosing the arrow angle (a)

eine Verbindungskante (16) miteinander umfassen, welche zusammen mit den längsgerichteten Kanten (12, 14) der Dachfläche (10) eine Spitze (18) bilden, und dass die Verbindungskante vorzugsweise senkrecht zu jener Wand (21) verläuft, mit welcher die Seitenflächen bündig sind. a connecting edge (16) with each other, which together with the longitudinal edges (12, 14) of the roof surface (10) form a tip (18), and that the connecting edge is preferably perpendicular to that wall (21) with which the side surfaces are flush are.

6. Oberflächen-Kühlvorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieachse (17) des Wirbel-Generators (9) parallel zur Strömungsrichtung verläuft, wobei die Verbindungskante (16) der beiden Seitenflächen (11, 13) die stromabwärtige Kante des Wirbel-Generators bildet und wobei die quer zur Strömung verlaufende Kante (15) der Dachfläche (10) die von der Strömung zuerst beaufschlagte Kante ist. 6. Surface cooling device according to claim 4 and 5, characterized in that the axis of symmetry (17) of the vortex generator (9) runs parallel to the direction of flow, the connecting edge (16) of the two side surfaces (11, 13) the downstream edge of the Vortex generator forms and wherein the edge (15) of the roof surface (10) running transversely to the flow is the edge which is first acted upon by the flow.

7. Oberflächen-Kühlvorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieachse (17) parallel zur Strömungsrichtung verläuft, wobei die Verbindungskante (16) der beiden Seitenflächen (11, 13) die von der Strömung zuerst beaufschlagte Kante ist, während die quer zur Strömung verlaufende Kante (15) der Dachfläche (10) stromabwärts angeordnet ist. 7. Surface cooling device according to claim 3 and 4, characterized in that the axis of symmetry (17) runs parallel to the flow direction, wherein the connecting edge (16) of the two side surfaces (11, 13) is the edge first acted upon by the flow, while the edge (15) of the roof surface (10) running transversely to the flow is arranged downstream.

8. Oberflächen-Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung gesehen, nebeneinandergereihte Wirbel-Gene-ratoren (9) in mehreren Ebenen angeordnet sind. 8. Surface cooling device according to claim 1, characterized in that, seen in the flow direction, side-by-side vortex generators (9) are arranged in several planes.

9. Oberflächen-Kühlvorrichtung nach Anspruch 8 und einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die in mehreren Ebenen angeordneten Wirbel-Generatoren alle mit der Verbindungskante stromaufwärts (Fig. 5) oder stromabwärts gerichtet sind. (Fig. 8) 9. Surface cooling device according to claim 8 and one of claims 6 or 7, characterized in that the vortex generators arranged in several planes are all directed upstream (Fig. 5) or downstream with the connecting edge. (Fig. 8)

10. Oberflächen-Kühlvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Spaltströmung sowohl an der äusseren Wand (21a) als auch an der inneren Wand (21b) eine gleiche Anzahl von Wirbel-Generatoren (9) in Umfangsrichtung oder über die Breite des Spaltes aneinandergereiht sind, wobei die Verbindungskanten (16) von je zwei hintereinanderliegenden Wirbel-Generatoren auf der gleichen Achse liegen. (Fig. 7) 10. Surface cooling device according to claim 8, characterized in that with a gap flow both on the outer wall (21a) and on the inner wall (21b) an equal number of vortex generators (9) in the circumferential direction or across the width of the Gaps are strung together, the connecting edges (16) of two successive vortex generators lying on the same axis. (Fig. 7)

11. Oberflächen-Kühlvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Spaltströmung sowohl an der äusseren Wand (21a) als auch an der inneren Wand (21b) eine gleiche Anzahl von Wirbel-Generatoren (9) in Umfangsrichtung oder über die Breite des Spaltes aneinandergereiht sind, wobei die Verbindungskanten (16) von je zwei hintereinanderliegenden Wirbel-Generatoren um eine halbe Teilung gegeneinander versetzt sind. (Fig. 6) 11. Surface cooling device according to claim 8, characterized in that with a gap flow both on the outer wall (21a) and on the inner wall (21b) an equal number of vortex generators (9) in the circumferential direction or across the width of the Gaps are strung together, the connecting edges (16) of two consecutive vortex generators being offset by half a division. (Fig. 6)

12. Verwendung einer Oberflächen-Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 zur Kühlung von Brennkammerwänden oder Gasturbinenelemente sowie Heissgas führende Wandungen oder Schaufeln. (Fig. 9) 12. Use of a surface cooling device according to claim 1 for cooling combustion chamber walls or gas turbine elements as well as walls or blades carrying hot gas. (Fig. 9)

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

5 5