DE10064264A1

DE10064264A1 - Anordnung zur Kühlung eines Bauteils

Info

Publication number: DE10064264A1
Application number: DE10064264A
Authority: DE
Inventors: Rainer Hoecker
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2002-07-04
Anticipated expiration: 2020-12-23
Also published as: GB2372093B; GB0129617D0; US20020078691A1; GB2372093A; US6615588B2; DE10064264B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung eines Bauteils, insbesondere der Brennkammer einer Strömungsmaschine, bei der zumindest ein Kühlkanal (5) zwischen einer zu kühlenden Wand (1) des Bauteils und einem von der Wand beabstandeten plattenförmigen Elemente (2) ausgebildet ist. Das plattenförmige Element (2) weist eine Anzahl von Durchlassöffnungen (4) für ein Kühlmedium auf und ist derart angeordnet, dass der Abstand zur Wand (1) in Strömungsrichtung des Kühlmediums durch den Kühlkanal (5) zunimmt. Die Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Größe der Durchlassöffnungen (4) im plattenförmigen Element (2) mit zunehmendem Abstand zwischen plattenförmigem Element (2) und der Wand (1) zunimmt. DOLLAR A Auf diese Weise lässt sich mit einfachen Mitteln eine gleichmäßige Kühlung über die Länge des Kühlkanals erreichen.

Description

Technisches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung eines Bauteils, insbesondere zur Kühlung der Brennkammer einer Strömungsmaschine, bei der zumindest ein Kühlkanal zwischen einer zu kühlenden Wand des Bauteils und einem von der Wand beabstandeten plattenförmigen Element ausgebildet ist, wobei das plattenförmige Element eine Anzahl von Durchlassöffnungen für ein Kühlmedium aufweist und der Abstand zwischen dem plattenförmigen Element und er Wand in Strömungsrichtung eines durch die Durchlassöffnungen auf die Wand auftreffenden und durch den Kühlkanal strömenden Kühlmediums zunimmt.

Die vorliegende Kühlanordnung eignet sich insbesondere für den Einsatz zur Kühlung der Brennkammer einer Gasturbine, bei der die Kühlkanäle zwischen dem plattenförmigen Element und der Brenn kammerwand ausgebildet sind.

Stand der Technik

Die Wandsegmente von Brennkammern sind sehr hohen Temperaturen ausgesetzt. Eine hinreichend hohe Lebensdauer der Brennkammerwand kann nur gewährleistet werden, wenn diese Wand während des Betriebs zusätzlich gekühlt wird. Bei bekannten Brennkammeranordnungen in Gasturbinenanlagen ist die Brennkammerwand doppelwandig ausgeführt, um ein Kühlmedium in dem durch den Zwischenraum gebildeten Kühlkanal einzusetzen. Hierbei ist es insbesondere bei Gasturbinenanlagen bekannt, die durch den Kompressor verdichtete Verbrennungsluft durch diesen Spalt bzw. Kühlkanal entlang der Brennkammerwand zu führen, bevor sie mit dem Brennstoff gemischt und in die Brennkammer eingebracht wird.

Ein Beispiel für eine derart ausgebildete Brennkammer einer Gasturbine ist der US 4,339,925 zu entnehmen. Bei dieser Brennkammeranordnung wird der Kühlkanal durch den Zwischenraum zwischen einem plattenförmigen Element und der Brennkammerwand ausgebildet, wobei sich das plattenförmige Element in Form eines Lochbleches an die Aussenkontur der Brennkammer anpasst, so dass durch einen konstanten Abstand zwischen dem plattenförmigen Element und der Brennkammerwand ein Kühlkanal konstanter Höhe gebildet wird. Die Kühlluft dringt durch die in dem plattenförmigen Element vorgesehenen Durchlassöffnungen in den Kühlkanal ein und trifft dabei annähernd senkrecht auf die Brennkammerwand. Durch eine derartige Prallkühlung wird eine besonders effektive Kühlwirkung erzielt.

Bei kompakter Bauweise der Brennkammer strömt die Kühlluft entlang der Brennkammerwand in umgekehrter Richtung wie die in der Brennkammer erzeugten heißen Gase nach der Verbrennung (Gegenstromprinzip). Zur Kühlung der Brennkammerwand steht im Allgemeinen der gesamte Massenstrom der zur Verbrennung bestimmten Luft zur Verfügung. Der Druckverlust über die Länge des Kühlkanals ist durch den Druckverlust der Brenner, d. h. durch den Druckverlust bei der Mischung von Brennstoff und Luft, vorbestimmt. Für die Kühlung der Brennkammerwand wird daher versucht, diese vorgegebene Druck differenz zwischen dem Ausgang des Kompressors und der Brennkammer möglichst gut zur Kühlung auszunutzen.

Die Technik der Prallkühlung ist besonders effizient zur Kühlung der Brennkammerwand geeignet. Allerdings ergeben sich gerade beim Einsatz einer derartigen Kühltechnik bei Brennkammern einige Ein schränkungen, welche die Effizienz der Prallkühlung beeinträchtigen. Eine wesentliche Einschränkung verursachen hierbei die begrenzten kühlluftseitigen Platzverhältnisse an der Schnittstelle zwischen der Brennkammer und der sich anschließenden Turbine. Diese begrenzten Platzverhältnisse erfordern eine Reduzierung des Abstandes zwischen dem in der Regel als Lochblech ausgebildeten plattenförmigen Element und der zu kühlenden Brennkammerwand in Richtung auf die Turbinen stufe und führen somit zu einer Reduzierung der Kühlkanalhöhe in diesem Bereich.

Zur Verbesserung der Effizienz der Kühlung wurden in L. W. Florschuetz et al., "Streamwise Flow and Heat Transfer Distributions for Jet Array Impingement with Crossflow", ASME, 81-GT-77, Seiten 1-10, Prallkühlungsgeometrien beschrieben und untersucht, um deren Einfluss auf die Kühleffizienz zu evaluieren. Hierbei wurden unterschiedliche Verhältnisse der Abstände der Durchlassöffnungen im Lochblech zum Durchmesser dieser Durchlassöffnungen sowie unterschiedliche Verhältnisse der Kühlkanalhöhe zum Durchmesser dieser Durchgangs öffnungen gewählt. Bei sämtlichen untersuchten Varianten waren hierbei der Durchmesser der Durchgangsöffnungen und die Kühlkanalhöhe über die Länge des Kühlkanals konstant.

Es ist bekannt, dass bei diesen Prallkühlungsgeometrien die Kühlwirkung in Richtung der über den Kühlkanal abströmenden Luft abnimmt. Versuche haben nun gezeigt, dass dieses Verhalten bei einer Geometrie, deren Kanalhöhe in Strömungsrichtung des Kühlkanals zunimmt, nicht beobachtet wird. Der Grund dafür ist die Druckverteilung entlang des Kühlkanals. Die Druckdifferenz über das Lochblech nimmt in Richtung der abströmenden Luft zu. Dies hat zur Folge, dass der größte der Teil der Kühlluft durch die - in Richtung der abströmenden Luft - hinteren Löcher strömt und hierbei besonders gut kühlt. Dies führt jedoch wiederum zu einer ungleichmäßigen Kühlwirkung über die Länge des Kühlkanals.

In der US 5,388,412 wird eine Brennkammeranordnung zur Lösung dieses Problems beschrieben, bei der ebenfalls der Abstand zwischen dem plattenförmigen Element und der zu kühlenden Brennkammerwand in Strömungsrichtung des gebildeten Kühlkanals zunimmt. Zur Vermeidung der ungleichmäßigen Kühlwirkung sind in dieser Anordnung die Durchlassöffnungen mit rohrartigen Ansatzelementen versehen, die im Kühlkanal senkrecht zur Brennkammerwand verlaufen und deren ausgangsseitige Enden über die gesamte Länge des Kühlkanals den gleichen Abstand zur Brennkammerwand aufweisen. Auf diese Weise kann eine gleichmäßigere Kühlwirkung über die Länge der Kühlkanäle erreicht werden. Zur Intensivierung der Kühlung an bestimmten Stellen des Kühlkanals wird hierbei ebenfalls vorgeschlagen, die Durchmesser der Durchlassöffnungen an diesen Stellen entsprechend zu verändern.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung zur Kühlung eines Bauteils, insbesondere der Brennkammer einer Gasturbine anzugeben, die auf einfache Weise realisierbar ist und eine gleichmäßige Kühlleistung über die Länge des Kühlkanals aufweist.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit der Anordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei der vorliegenden Anordnung zur Kühlung eines Bauteils wird zumindest ein Kühlkanal zwischen einer zu kühlenden Wand des Bauteils und einem von der Wand beabstandeten plattenförmigen Element ausgebildet. Das plattenförmige Element hat hierbei eine Anzahl von Durchlassöffnungen für ein Kühlmedium und passt sich in seiner Form an die Konturen der zu kühlenden Wand an. Dieses plattenförmige Element, im Folgenden auch gemäß seiner bevorzugten Ausgestaltung als Lochblech bezeichnet, ist derart gegenüber der zu kühlenden Wand ange ordnet bzw. an dieser befestigt, dass der Abstand zwischen dem plattenförmigen Element und der Wand in Strömungsrichtung eines durch die Durchlassöffnungen auf die Wand auftreffenden und durch den Kühlkanal strömenden Kühlmediums zunimmt. Bei einer im Gegen stromprinzip gekühlten Brennkammer einer Gasturbine nimmt somit die Kühlkanalhöhe, die durch diesen Abstand zwischen dem plattenförmigen Element und der Wand bestimmt wird, in Richtung auf die Turbinenstufe hin ab. Die vorliegende Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Größe der Durchlassöffnungen im plattenförmigen Element mit zunehmendem Abstand zwischen dem plattenförmigen Element und der Wand zunimmt. Die Verteilung dieser Durchlassöffnungen entlang des Kühlkanals ist hierbei zunächst nicht von Bedeutung. Diese Durchlassöffnungen sind jedoch vorzugsweise in mehreren Reihen angeordnet, die parallel zur Strömungsrichtung verlaufen.

Durch die zunehmende Größe der Durchlassöffnungen im plattenförmigen Element in Strömungsrichtung wird eine gleichmäßige Kühlung entlang des Kühlkanals erreicht, ohne hierfür beispielsweise zusätzliche rohrförmige Ansatzelemente an den Durchlassöffnungen vorsehen zu müssen. Obwohl der Fachmann bei der vorliegenden Problematik der sich in Strömungsrichtung vergrößernden Kühlkanalhöhe und der damit verbundenen stärkeren Kühlung der stromab liegenden Bereiche eine Verkleinerung der Durchlassöffnungen in diesen Bereichen in Erwägung ziehen könnte, um durch diese Maßnahme die ungleiche Kühlverteilung auszugleichen, wurde bei der vorliegenden Erfindung genau der gegenteilige Weg gewählt. Die Erfinder haben hierbei erkannt, dass die vorliegende Lösung überraschenderweise zum gewünschten Ergebnis führt, während der näher liegende Weg genau die gegenteilige Wirkung zur Folge hat und insbesondere die Effektivität der Prallkühlung verringern.

Vorzugsweise wird der Durchmesser der Durchlassöffnungen proportional zur Lauflänge des Kühlkanals an der jeweiligen Position der Durchlassöffnungen gewählt. Unter der Lauflänge ist hierbei die Länge des Kühlkanals - in Strömungsrichtung gesehen - zu verstehen, die dieser an der Position der jeweiligen Durchlassöffnung erreicht hat. Die Durchlassöffnungen, die bei der doppelten Lauflänge des Kühlkanals angeordnet sind, haben somit auch den doppelten Durchmesser. Mit dieser Ausführungsform lässt sich eine sehr gleichmäßige Kühlverteilung erreichen.

Die vorliegende Anordnung lässt sich selbstverständlich mit unterschiedlichen Kühlmedien, d. h. unterschiedlichen Gasen, wie beispielsweise Luft, oder Flüssigkeiten betreiben. Das Kühlmedium verlässt die Kühlgeometrie im Wesentlichen in eine Richtung, der Strömungsrichtung des Kühlkanals, im Folgenden auch als Querstromrichtung bezeichnet. Der Kanal, durch den das Kühlmedium abströmt, kann wahlweise einen zusätzlichen Einlass haben, durch den die anfängliche Querströmung in den Kanal eintreten kann. Die dem Lochblech gegenüberliegende zu kühlende Wand wird als Prallblech bezeichnet. Die Durchlassöffnungen bzw. Löcher im Lochblech sind in der oben angegebenen Weise angeordnet, so dass ihr Durchmesser in Querstromrichtung zunimmt, wobei vorzugsweise der Lochdurchmesser der Lauflänge des Kanals proportional ist. Mit der vorliegenden Anordnung werden die im Stand der Technik vorliegenden Nachteile beseitigt, indem die geometrischen Parameter der Lochanordnung in einen zahlenmäßigen Bereich verschoben werden, der eine besonders gute Kühlungseffektivität aufweist. Vorzugsweise werden hierbei das Verhältnis zwischen der Kanalhöhe und dem Lochdurchmesser größer als 1 und/oder das Verhältnis des Lochabstandes - in Strömungsrichtung - zum Lochdurchmesser größer als 1,5 gewählt. Unter Lochabstand ist hierbei der Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt der Löcher zu verstehen. Die sich bei einer derartigen Ausgestaltung einstellende Druck- und Massenstromverteilung im Kühlkanal führt zu einer sehr gleichmäßigen Wärmeübergangsverteilung über die Länge des Kühlkanals. Der Wärmeübergang an der zu kühlenden Wand ist damit nahezu unabhängig von der Position im Kanal, also unabhängig von der Lochposition in Querstromrichtung.

Eine reihenförmige Anordnung der Löcher parallel zur Strömungsrichtung, bei der die einzelnen Löcher der verschiedenen Reihen jeweils auf gleicher Höhe liegen, führt hierbei zu besseren Werten wie eine Anordnung mit versetzter Lochanordnung.

Vorzugsweise ist bei der vorliegenden Anordnung das Verhältnis des Abstandes zwischen dem plattenförmigen Element und der Wand zum Durchmesser der Durchlassöffnungen über die gesamte Länge des Kühl kanals konstant. Weiterhin ist vorzugsweise das Verhältnis des Abstandes zwischen dem plattenförmigen Element und der Wand zum Durchmesser der Durchlassöffnungen ebenfalls über die Länge des Kühlkanals konstant.

Es versteht sich von selbst, dass die Geometrie der Durchlassöffnungen nicht notwendigerweise kreisrund sein muss. Weiterhin ist zwar die vorliegende Anordnung für die Kühlung der Brennkammer einer Gasturbine besonders geeignet, lässt sich jedoch problemlos auf andere zu kühlende Bauteile anwenden. In diesem Fall ist das plattenförmige Element in gleicher Weise zur Bildung eines Kühlkanals in einem sich in Strömungsrichtung vergrößernden Abstand angeordnet. Dieses plattenförmige Element kann hierbei direkt mit der zu kühlenden Wand verbunden oder durch einen gesonderten Träger gegenüber dieser Wand fixiert sein. Ebenso können zusätzliche in Strömungsrichtung verlaufende Stege an der zu kühlenden Wand oder am plattenförmigen Element vorgesehen sein, um mehrere nebeneinander liegende Kühlkanäle auszubilden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens nochmals kurz erläutert.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Segment einer Gasturbinenbrennkammerwand;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines Aus schnitts aus dem Segment der Fig. 1, der den Prallkühlungsbereich darstellt;

Fig. 3 ein Lochblech gemäß der vorliegenden Erfindung mit in Querströmungsrichtung zunehmendem Durchmesser und Reihenan ordnung der Löcher; und

Fig. 4 ein Lochblech gemäß der vorliegenden Erfindung mit in Strömungsrichtung zu nehmendem Durchmesser und versetzter Anordnung der Löcher.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt ein Segment einer Brennkammerwand 1 einer Gasturbine, wie sie beispielsweise aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt ist. Dem Fachmann ist die Anordnung einer aus derartigen Segmenten zusammengesetzten Brennkammer in einer Gasturbine bekannt. Für nähere Einzelheiten wird beispielsweise auf die in der Beschreibungseinleitung genannten Druckschriften verwiesen. An der Aussenseite dieser Brennkammerwand 1 sind Stege 3 vorgesehen, die in Verbindung mit dem aufgesetzten plattenförmigen Element 2 mehrere nebeneinander liegende Kühlkanäle entstehen lassen. Im vorliegenden Beispiel ist auf der linken unteren Seite der Prallbereich einer Kühl anordnung gezeigt, bei dem die Lochplatte 2 in einem Abstand zur Brennkammerwand 1 angeordnet ist, der in Strömungsrichtung - durch den Pfeil angedeutet - zunimmt. Bei einer derartigen Anordnung schließen sich auf der linken Seite der Brennkammer die Turbinenstufe und auf der rechten Seite die Kompressionsstufe an. In der Figur ist eine Verteilung der Durchlassöffnungen 4 der Lochplatte 2 angedeutet, wie sie der Fachmann möglicherweise in Erwägung ziehen würde, um eine erhöhte Kühlung der stromabwärts unter der Lochplatte 2 liegenden Bereiche zu vermeiden. Die Größe der Durchlassöffnungen 4 nimmt in diesem Beispiel daher in Strömungsrichtung ab.

Wie bereits vorangehend erläutert, wird mit einer derartigen Anordnung jedoch keine besonders effiziente Prallkühlung erreicht.

Fig. 2 zeigt den auf der linken Seite der Fig. 1 erkennbaren Prallbereich nochmals in Querschnittsansicht. Durch den zwischen der Lochplatte 2 und der Brennkammerwand 1 vorliegenden Abstand wird der Kühlkanal 5 gebildet. Die durch die Kompressionsstufe der Gasturbine komprimierte Luft tritt über die Durchlassöffnungen 4 in den Kühlkanal 5 ein und trifft dort annähernd senkrecht auf die Brennkammerwand 1, um die erwünschte Prallkühlung zu bewirken. In dem Kühlkanal 5 bildet sich eine Kühlströmung in Richtung der sich vergrößernden Kühlkanalhöhe, wie dies durch den Pfeil angedeutet ist.

Wie bereits erwähnt, führt die in diesem Beispiel gewählte Verteilung der Größen der Durchlassöffnungen, die in Strömungsrichtung abnimmt, nicht zu zufriedenstellenden Kühlergebnissen.

Fig. 3 zeigt schließlich ein Lochblech 2 mit einer Verteilung der Größe der Durchlassöffnungen 4, wie sie bei der vorliegenden Erfindung realisiert wird. Ein derartiges Lochblech wird anstelle des Lochbleches der Fig. 2 in die dort vorliegende Anordnung eingefügt.

Bei diesem Beispiel ist sehr gut die sich in Strömungsrichtung proportional zur jeweiligen Lauflänge des Kühlkanals 5 vergrößernde Öffnung der Durchgangslöcher 4 zu erkennen. Die Strömungsrichtung ist wiederum durch den Pfeil angedeutet. Die hier vorliegende reihenförmige Anordnung der Durchlassöffnungen 4, bei der die Öffnungen jeder Reihe auf gleicher Höhe liegen, führt zu besonders vorteilhaften Ergebnissen. Bei dieser Anordnung ist auch der sich mit zunehmender Größe der Durchgangsöffnungen 4 vergrößernde Abstand zwischen diesen in Strömungsrichtung zu erkennen.

Fig. 4 zeigt schließlich ein weiteres Beispiel einer Lochplatte, wie sie bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt werden kann. Im Gegensatz zu der Anordnung der Fig. 3 sind hier die einzelnen Durch lassöffnungen 4 der unterschiedlichen Reihen versetzt zueinander angeordnet. Der Durchmesser der Durchlassöffnungen nimmt wieder kontinuierlich in Strömungsrichtung zu.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Brennkammerwand

2

Lochplatte

3

Stege

4

Durchlassöffnungen

5

Kühlkanal

Claims

1. Anordnung zur Kühlung eines Bauteils, insbesondere der Brennkammer einer Strömungsmaschine, bei der zumindest ein Kühlkanal (5) zwischen einer zu kühlenden Wand (1) des Bauteils und einem von der Wand (1) beabstandeten plattenförmigen Element (2) ausgebildet ist, wobei das plattenförmige Element (2) eine Anzahl von Durchlassöffnungen (4) für ein Kühlmedium aufweist und der Abstand zwischen dem plattenförmigen Element (2) und der Wand (1) in Strömungsrichtung eines durch die Durchlassöffnungen (4) auf die Wand (1) auftreffenden und durch den Kühlkanal (5) strömenden Kühlmediums zunimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Durchlassöffnungen (4) im plattenförmigen Element (2) mit zunehmendem Abstand zwischen dem platten förmigen Element (2) und der Wand (1) zunimmt.

2. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Durchlassöffnungen (4) proportional zur Länge ist, die der Kühlkanal (5) an der jeweiligen Position der Durchlassöffnungen (4) in Strömungsrichtung erreicht hat.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des gegenseitigen Abstandes der Durchlassöffnungen (4) in Strömungsrichtung zum Durchmesser der Durchlassöffnungen (4) über die Länge des Kühlkanals (5) konstant ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Abstandes zwischen dem plattenförmigen Element (2) und der Wand (1) zum Durchmesser der Durchlassöffnungen (4) über die Länge des Kühlkanals (5) konstant ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Abstandes zwischen dem plattenförmigen Element (2) und der Wand (1) zum Durchmesser der Durchlassöffnungen (4) < 1 ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des gegenseitigen Abstandes der Durchlassöffnungen (4) in Strömungsrichtung zum Durchmesser der Durchlassöffnungen (4) < 1,5 ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass unabhängig von den Durchlassöffnungen (4) zumindest eine zusätzliche Einlassöffnung für das Kühlmedium in den Kühlkanal (5) vorgesehen ist, durch die das Kühlmedium in Strömungsrichtung des Kühlkanals (5) eintreten kann.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchlassöffnungen (4) in mehreren Reihen angeordnet sind, die parallel zur Strömungsrichtung verlaufen.

9. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche an der Brennkammer einer Strömungsmaschine, wobei der Abstand zwischen dem plattenförmigen Element (2) und der Wand (1) von der Turbinenaustrittsseite der Brennkammer zur gegenüberliegenden Seite hin zunimmt.