DE102016204824A1

DE102016204824A1 - Filmkühllöcher in Gasturbinen - Bauteilen

Info

Publication number: DE102016204824A1
Application number: DE102016204824.4A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2016-03-23
Filing date: 2016-03-23
Publication date: 2017-09-28
Also published as: US20190078443A1; EP3408501A1; WO2017162743A1; EP3408501B1

Abstract

Gekühltes Bauteil (12) für eine Turbine, mit einer Wand (14), die von einer ersten Oberfläche (16) und einer der ersten Oberfläche (16) gegenüberliegende zweite Oberfläche (18) begrenzt ist, wobei die erste Oberfläche (16) vorgesehen ist von einem heißeren Medium (MH), welches von einem stromaufliegenden Bereich (16a) zu einem stromabliegenden Bereich (16b) strömbar ist, umströmt zu werden, und wobei die zweite Oberfläche (18) vorgesehen ist mit einem kühleren Medium (MK) in Kontakt zu kommen, mit zumindest einem zur zweiten Oberfläche (18) geneigten Filmkühlloch (20) zur Durchleitung des kühleren Mediums (MK) durch die Wand zur zweiten Oberfläche (16), wobei das betreffende Filmkühlloch (20) umfasst: – eine in der zweiten Oberfläche (18) angeordnete Einströmöffnung (22), durch welche das kühlere Medium (MK) in das Filmkühlloch (20) einströmbar ist, – eine in der ersten Oberfläche (16) angeordnete Ausströmöffnung (24), durch welche das im Inneren des Filmkühllochs (20) strömbare kühlere Medium (MK) das Filmkühlloch (20) verlassen kann, – eine virtuelle zentrale Längsachse (LL), die sich mit einer Lochlänge (L) von der Einströmöffnung (22) bis zu der Ausströmöffnung (24) erstreckt, – vier Umfangsabschnitte, die entlang eines zur Längsachse tangentialen Umlaufs aufeinanderfolgend nacheinander ineinander übergehen: – einen dem heißeren Medium zugewandten Umfangsabschnitt (UAH), – einen ersten seitlichen Umfangsabschnitt (UAS1), – einen dem kühleren Medium zugewandten Umfangsabschnitt (UAK) und – einen zweiten seitlichen Umfangsabschnitt (UAS2), – einen zwischen der Einströmöffnung (22) und einem Übergangspunkt (25) angeordneten Einströmabschnitt (26) mit einem konstanten Durchströmungsquerschnitt und – einen von dem Übergangspunkt (25) bis zur Ausströmöffnung (24) angeordneten Diffusorabschnitt (28) mit einem in dieser Richtung zunehmenden Durchströmungsquerschnitt, – eine abströmseitigen Diffusorkante (30), an der der dem kühleren Medium zugewandte Umfangsabschnitt (UAK) an die zweite Oberfläche (16) angrenzt, – eine anströmseitigen Diffusorkante (34), an der der dem heißeren Medium zugewandte Umfangsabschnitt (UAH) an die zweite Oberfläche (16) angrenzt und – einen Abstand (wbc) zwischen anströmseitiger Diffusorkante (34) und abströmseitige Diffusorkante (30), wobei die Neigung des Filmkühllochs (20) gegenüber der ersten Oberfläche (16) derart ist, dass die virtuelle zentrale Längsachse (LL) – in einer Querschnittbetrachtung durch die betreffende Wand (14) – mit dem stromauf liegenden Bereich (16a) der zweiten Oberfläche (16) einen spitzen Neigungswinkel (αN) einschließt, und wobei der dem kühleren Medium (MK) zugewandte Umfangsabschnitt (UAK) mit der virtuellen Längsachse (LL) – in einer Querschnittbetrachtung durch die betreffende Wand (14) – einen Rücklage-Winkel (α3) einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass der Rücklage-Winkel (α3) einen Wert kleiner als 1° aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft Filmkühllöcher von zu kühlenden Gasturbinen-Bauteilen. Gasturbinen-Bauteile, die Filmkühlöcher aufweisen, können beispielsweise Turbinenschaufeln, Ringsegmente oder auch Brennkammerbauteile sein.
Mit Hilfe der Filmkühllöcher kann ein kühlender Luftfilm auf von Heißgas überströmbaren Flächen der zu kühlenden Bauteile erzeugt werden, welcher diese vor dem direkten Kontakt und damit vor den thermischen Einflüssen des daran entlang strömenden Heißgases schützen soll.
Aufgabe dieser Erfindung ist die Bereitstellung eines Filmkühllochs, mit dem eine besonders effiziente Filmkühlung erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird mit einem Filmkühlloch gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben, wobei die Merkmale der abhängigen Ansprüche in beliebiger Weise auch nur teilweise miteinander kombiniert werden können.
Es zeigen:
1: ein herkömmliches Filmkühlloch 2 mit gegenläufig rotierenden Wirbelpaaren,
2: das herkömmliche Filmkühlloch 2 in einem Querschnitt,
3: das herkömmliche Filmkühlloch 2 in einer Draufsicht,
4: ein erfindungsgemäßes Filmkühlloch 20 in einer perspektivischen Ansicht,
5: das erfindungsgemäße Filmkühlloch 20 mit gegenläufig rotierenden Wirbelpaaren,
6: einen Querschnitt durch eine das erfindungsgemäße Filmkühlloch 20 aufweisende Bauteilwand und
7: eine zur ersten Oberfläche senkrechte Draufsicht auf das erfindungsgemäße Filmkühlloch 20.
Die Erfindung und das erfindungsgemäße Filmkühlloch 20 sind in den 4 bis 7 dargestellt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die im Diffusorabschnitt 28 des Filmkühllochs 20 zunehmende Vergrößerung des Durchströmungsquerschnitts allein in einer Dimension (Lateralrichtungen LR) erfolgt. Dazu ist vorgesehen, dass der Rücklage-Winkel α₃ (vgl. 1) einen Wert kleiner als 1° aufweist. Mithin erfolgt die Zunahme des Durchströmungsquerschnitts hauptsächlich dadurch, dass die seitlichen Umfangsabschnitte UA_S1, UA_S2 des Filmkühllochs 20 divergieren, wohingegen im Diffusorabschnitt 28 der Abstand zwischen dem dem heißeren Medium M_H zugewandten Umfangsabschnitt UA_H und dem dem kühleren Medium M_K zugewandten Umfangsabschnitt UA_K an der Ausströmöffnung 24 höchstens nur unwesentlich größer wird als der Durchmesser d des Einströmabschnitts 26.
Damit wird das Gebiet-Verhältnis (area-ratio) vergrößert: für einen gegebenen Massenstrom an kühlerem Medium kann die Strömungsgeschwindigkeit an der Ausströmöffnung 24 des Filmkühllochs 20 reduziert werden im Vergleich zu konventionellen Filmkühllöchern 2, wodurch die Tendenz des austretenden Strahls an kühlerem Medium M_K zur Ablösung von der ersten Oberfläche 16 reduziert werden kann.
Gleichfalls ist die zur Strömungsrichtung des heißeren Mediums M_H senkrecht erfassbare Breite B der Ausströmöffnung 24 größer als bei konventionellen Filmkühllöchern 2 mit vergleichbaren Diffusoröffnungsverhältnissen. Dies beeinflusst die gegenläufig rotierenden Wirbelpaare 23, welche gewöhnlich an den äußeren Rändern der Ausströmöffnung 24, d.h. den gedachten Verlängerungen der seitlichen Umfangsabschnitten UA_S1 und UA_S2 auftreten. Gleichzeitig hat dies einen Einfluss erster Ordnung auf den Mischungsprozess von kühlerem Medium M_K und heißerem Medium M_H. Wie in 5 gezeigt, kann der Abstand der beiden Schenkel der gegenläufig rotierenden Wirbelpaare 23 vergrößert werden durch das vorgeschlagene Design. Dadurch wird das im Bereich der virtuellen zentralen Längsachsse LL ausströmende kühlere Medium M_K weniger durch die gegenläufig rotierenden Wirbelpaare 23 beeinflusst, was die Durchmischung reduziert. Auch die Stärke der gegenläufig rotierenden Wirbelpaare 23 kann dadurch reduziert werden.
Weiter führt die größere Spreizung, d.h. der im Vergleich zum Stand der Technik vergrößerte Öffnungswinkel ß₁ des Diffusorabschnitts 28 in zur Strömungsrichtung des heißeren Mediums M_H senkrechter Richtung (Lateralrichtung LR) zu einer gleichmäßigeren Verteilung des kühleren Mediums M_K an der Ausströmöffnung 24. Damit kann ein lokales Überkühlen der ersten Oberfläche 16 im Bereich der virtuellen zentralen Längsachse LL unmittelbar stromab der abströmseitigen Diffusorkante 30 reduziert werden.
Alle vorgenannten Vorteile führen insgesamt zu einem Anstieg der adiabatischen Filmkühlungwirksamkeit verglichen mit konventionellen Filmkühllöchern. Insbesondere weiter stromab des Filmkühllochs ist die durchschnittliche Filmkühlwirksamkeit des erfindungsgemäßen Filmkühllochs der Wirksamkeit von herkömmlichen Filmkühllöchern überlegen.

Claims

Gekühltes Bauteil (12) für eine Turbine, mit einer Wand (14), die von einer ersten Oberfläche (16) und einer der ersten Oberfläche (16) gegenüberliegende zweite Oberfläche (18) begrenzt ist, wobei die erste Oberfläche (16) vorgesehen ist von einem heißeren Medium (M_H), welches von einem stromaufliegenden Bereich (16a) zu einem stromabliegenden Bereich (16b) strömbar ist, umströmt zu werden, und wobei die zweite Oberfläche (18) vorgesehen ist mit einem kühleren Medium (M_K) in Kontakt zu kommen, mit zumindest einem zur zweiten Oberfläche (18) geneigten Filmkühlloch (20) zur Durchleitung des kühleren Mediums (M_K) durch die Wand zur zweiten Oberfläche (16), wobei das betreffende Filmkühlloch (20) umfasst: – eine in der zweiten Oberfläche (18) angeordnete Einströmöffnung (22), durch welche das kühlere Medium (M_K) in das Filmkühlloch (20) einströmbar ist, – eine in der ersten Oberfläche (16) angeordnete Ausströmöffnung (24), durch welche das im Inneren des Filmkühllochs (20) strömbare kühlere Medium (M_K) das Filmkühlloch (20) verlassen kann, – eine virtuelle zentrale Längsachse (LL), die sich mit einer Lochlänge (L) von der Einströmöffnung (22) bis zu der Ausströmöffnung (24) erstreckt, – vier Umfangsabschnitte, die entlang eines zur Längsachse tangentialen Umlaufs aufeinanderfolgend nacheinander ineinander übergehen: – einen dem heißeren Medium zugewandten Umfangsabschnitt (UA_H), – einen ersten seitlichen Umfangsabschnitt (UA_S1), – einen dem kühleren Medium zugewandten Umfangsabschnitt (UA_K) und – einen zweiten seitlichen Umfangsabschnitt (UA_S2), – einen zwischen der Einströmöffnung (22) und einem Übergangspunkt (25) angeordneten Einströmabschnitt (26) mit einem konstanten Durchströmungsquerschnitt und – einen von dem Übergangspunkt (25) bis zur Ausströmöffnung (24) angeordneten Diffusorabschnitt (28) mit einem in dieser Richtung zunehmenden Durchströmungsquerschnitt, – eine abströmseitigen Diffusorkante (30), an der der dem kühleren Medium zugewandte Umfangsabschnitt (UA_K) an die zweite Oberfläche (16) angrenzt, – eine anströmseitigen Diffusorkante (34), an der der dem heißeren Medium zugewandte Umfangsabschnitt (UA_H) an die zweite Oberfläche (16) angrenzt und – einen Abstand (w_bc) zwischen anströmseitiger Diffusorkante (34) und abströmseitige Diffusorkante (30), wobei die Neigung des Filmkühllochs (20) gegenüber der ersten Oberfläche (16) derart ist, dass die virtuelle zentrale Längsachse (LL) – in einer Querschnittbetrachtung durch die betreffende Wand (14) – mit dem stromauf liegenden Bereich (16a) der zweiten Oberfläche (16) einen spitzen Neigungswinkel (α_N) einschließt, und wobei der dem kühleren Medium (M_K) zugewandte Umfangsabschnitt (UA_K) mit der virtuellen Längsachse (LL) – in einer Querschnittbetrachtung durch die betreffende Wand (14) – einen Rücklage-Winkel (α₃) einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass der Rücklage-Winkel (α₃) einen Wert kleiner als 1° aufweist.
Bauteil (12) nach Anspruch 1, bei dem die zwischen dem Übergangspunkt (25) und der Ausströmöffnung (24) erfassbare Länge (L_diff) des Diffusorabschnitts (28) größer ist als der 7-fache Durchmesser (d) des Einströmabschnitts (26).
Bauteil (12) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die seitlichen Umfangsabschnitte (UA_S1, UA_S2) des Diffusorabschnitts (28) bei senkrechter Projektion zur ersten Oberfläche (16) geradlinig ausgestaltet sind und diese mit der virtuellen zentralen Längsachse (LL) einen Öffnungswinkel (ß₁) von mindestens 11,5° einschließen.
Bauteil (12) nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die abströmseitige Diffusorkante (30) im Wesentlichen gerade ist.
Bauteil (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die anströmseitige Diffusorkante (34) gekrümmt ist.
Bauteil (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Abstand (w_bc) im Wesentlichen dem Durchmesser (d) des Einströmabschnitts (26) geteilt durch den Sinus des Neigungswinkel (α_N) entspricht: w_bc = d / sind (α_N).
Bauteil (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Diffusorabschnitt (28) unmittelbar stromab des Übergangspunkts (25) – in einer Querschnittbetrachtung durch die betreffende Wand (14) – eine Diffusorhöhe (h) aufweist, die kleiner ist als der Durchmesser (d) des Einströmabschnitts (26).
Bauteil (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Vielzahl entsprechender Filmkühllöcher (20), angeordnet in ein oder mehreren Reihen.