DE10244199A1 - Device for supplying secondary fluid to transsonic primary flow e.g. for supplying cooling air for film cooling in turbine plant - Google Patents

Device for supplying secondary fluid to transsonic primary flow e.g. for supplying cooling air for film cooling in turbine plant Download PDF

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Abstract

The device (3,12,13) supplies a secondary fluid (5) to the transsonic primary flow (4) via a bore (3) in a surface (15) over which the latter travels, the exit opening of the bore located in a recess (13) provided in this surface. An Independent claim for a method for supplying a secondary fluid to a transsonic primary flow is also included.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL TERRITORY

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Einbringung eines Sekundärfluids mittels einer Bohrung in eine transsonische, über eine Oberfläche strömende Primärströmung. Dabei handelt es sich insbesondere bevorzugt um eine Vorrichtung respektive ein Verfahren zur Einbringung von Kühlluft in eine transsonische, über eine Oberfläche strömende Heissgasströmung in einer Turbinenanlage zwecks Filmkühlung der Oberfläche.The present invention relates to an apparatus and a method for introducing a secondary fluid by means of a hole in a transonic primary flow flowing over a surface. there it is particularly preferably a device, respectively a method for introducing cooling air into a transonic, via a surface flowing Hot gas flow in a turbine plant for film cooling of the surface.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Der Trend bei industriellen Gasturbinen zu höheren Turbineneintrittstemperaturen, grösserer Leistung, kleineren Emissionen und reduzierten Kosten ist ungebrochen. Einerseits werden auf der Materialseite Fortschritte in Richtung höherer zulässiger Materialtemperaturen und zulässiger Materialspannungen erreicht, anderseits besteht die Notwendigkeit, die Kühlung für neue Generationen von Gasturbinen weiter zu verbessern.The trend in industrial gas turbines to higher Turbine inlet temperatures, greater performance, smaller Emissions and reduced costs are unbroken. On the one hand on the material side, progress towards higher permissible material temperatures and more permissible Material tensions reached, on the other hand there is a need to the cooling for new ones Generations of gas turbines continue to improve.

Leit- und Laufschaufeln, die unmittelbar stromab der Brennkammern sitzen, sind der grössten thermische Belastung ausgesetzt. Die Schaufeln sind auf der Heissgasseite im allgemeinen filmgekühlt. Kühlluft wird dabei durch Bohrungen geeignet ausgeblasen, so dass ein schützender Kühlluftfilm die Schaufel vom Heissgas "abschirmt". Diese Kühlluftbohrungen haben Zylinder- oder Diffusorformen und sind geeignet angeordnet, um die Filmkühlung zu optimieren und beispielsweise Staubeintrag zu verhindern. Durch den Diffusor wird die Austrittsimpulsstromdichte der Kühlluft derjenigen des Heissgases angepasst, so dass der Kühlfilm an der Wand verbleibt und sich gleichmässig quer zur Stromrichtung verteilt.Guide and rotor blades immediately downstream the combustion chambers are the greatest thermal stress exposed. The blades are generally on the hot gas side film-cooled. cooling air is suitably blown out through holes so that a protective Cooling air film the Shovel "shields" from the hot gas. These cooling air holes have cylindrical or diffuser shapes and are suitably arranged, to cool the film optimize and prevent, for example, dust entry. By the diffuser becomes the exit pulse current density of the cooling air of the hot gas so that the cooling film remains on the wall and evenly distributed across the current direction.

So beschreibt z. B. die US 6,129,515 spezifische Formen der Öffnungen von Kühlluftbohrungen. Konkret werden dabei Bohrungen vorgeschlagen, welche sich vor dem Austritt in den Heissluftstrom, d. h. kurz unter der Oberfläche konisch erweitern, sodass der Kühlluftstrom eine möglichst geringe Störung des Heissluftstroms auslöst und sich ein homogener Kühlluftfilm ausbildet.For example, B. the US 6,129,515 specific forms of openings in cooling air bores. Specifically, bores are proposed which expand conically before exiting into the hot air flow, ie shortly below the surface, so that the cooling air flow triggers as little interference as possible in the hot air flow and a homogeneous cooling air film is formed.

Die abgegebene Leistung der Turbine kann erhöht werden, indem die Druckdifferenz zwischen Druckseite und Saugseite einer Schaufel erhöht wird (bei unverändertem Stufeneintrittszustand). Eine Reduktion der Kosten wird durch eine kleinere Stufenzahl der Turbine möglich. Bei gleicher Leistungsabgabe müssen die Schaufeln entsprechend vergrössert werden. Für beide Fälle wird die Last einer Stufe erhöht.The power output of the turbine can increase by the pressure difference between the pressure side and the suction side a shovel raised will (with unchanged Gradually entering state). A reduction in costs is achieved through a smaller number of stages of the turbine possible. With the same power output have to the blades enlarged accordingly become. For both cases the load of a step is increased.

Eine Erhöhung der Druckdifferenz führt auf höhere Strömungsgeschwindigkeiten und Machzahlen (die Machzahl ist definiert als Quotient der Geschwindigkeit durch die Schallgeschwindigkeit und beschreibt den Kompressibilitätseinfluss). Eine Beschränkung der Druckdifferenz ist notwendig, da die Verluste rapide ansteigen, wenn sich die lokale Geschwindigkeit der lokalen Schallgeschwindigkeit nähert.An increase in the pressure difference leads to higher flow velocities and Mach numbers (the Mach number is defined as the quotient of the speed through the speed of sound and describes the influence of compressibility). A limitation the pressure difference is necessary because the losses increase rapidly, if the local speed is the local speed of sound approaches.

Dieser Zustand wird als transsonischer Strömungszustand bezeichnet. Üblicherweise definiert sich dabei der transsonische Strömungszustand als Strömungszustand mit einer Machzahl etwa zwischen 0,8 und 1,2.This state is called transonic flow state designated. Usually the transonic flow state is defined as the flow state with a Mach number between 0.8 and 1.2.

Strömungsverluste können in Druckwiderstand, Reibungswiderstand und Wellenwiderstand aufgeteilt werden (siehe z. B. Prandtl, Oswatitsch und Wieghardt "Führer durch die Strömungslehre", Vieweg, 9. Aufl. Braunschweig, 1993). Ursache für die stark ansteigenden Verluste im Falle transsonischer Strömungszustände sind lokale Stosswellen, welche zur Erhöhung des Wellenwiderstandes führen. Stosswellen treten auf, wenn die lokale Machzahl eins übersteigt.Flow losses can occur in Pressure resistance, friction resistance and wave resistance divided (see e.g. Prandtl, Oswatitsch and Wieghardt "Guide through Fluid Dynamics", Vieweg, 9th ed. Braunschweig, 1993). Cause of are the rapidly increasing losses in the case of transonic flow conditions local shock waves, which increase the wave resistance to lead. Shock waves occur when the local Mach number exceeds one.

Der transsonische Strömungszustand ist gekennzeichnet durch eine verhältnismässig grosse Abhängigkeit der Strömung von der Geometrie und kleinen Schwankungen in der Strömung. Für zivile Anwendungen wird dieser Zustand im allgemeinen vermieden.The transonic flow state is characterized by a relatively large dependency the current of the geometry and small fluctuations in the flow. For civil applications this condition is generally avoided.

Wird Kühlluft in transsonische Strömungen ausgeblasen, so verringert sich die Strömungsfläche für die Heissgasströmung und die Strömungsgeschwindigkeit und damit die Machzahl wird erhöht und kann den Schallzustand erreichen. Für moderne Gasturbinen liegt die lokale Machzahl auf den ersten Schaufeln unmittelbar stromab nach der Brennkammer in der Nähe von eins. Moderne Gasturbinen werden somit am Limit betrieben. Aus diesem Grund wird stromab des engsten Querschnittes der ersten Leitschaufel beispielsweise auf der Saugseite im allgemeinen keine Kühlluft ausgeblasen, da sich ansonsten derartige Stosswellen ausbilden und entsprechend der Strömungswiderstand zunimmt.If cooling air is blown out into transonic flows, this reduces the flow area for the hot gas flow and the flow rate and thus the mach number is increased and can reach the sound state. For modern gas turbines the local Mach number on the first blades immediately downstream after the combustion chamber nearby from one. Modern gas turbines are therefore operated at the limit. Out For this reason, the narrowest cross section of the first guide vane for example, generally no cooling air is blown out on the suction side, because otherwise such shock waves form and accordingly the flow resistance increases.

Es besteht aber ein Bedarf nach höherer Leistung, welcher z. B. durch Erhöhung der Turbineneintrittstemperatur, grössere Druckdifferenzen zwischen Druck- und Saugseite und grössere Dimensionen der Schaufeln stromab des engsten Querschnittes realisiert werden kann. Dieser Bedarf kann es erfordern, Kühlluft zur Filmkühlung in transsonische Strömungsgebiete auszublasen.But there is a need for higher performance which z. B. by increasing the turbine inlet temperature, larger pressure differences between Pressure and suction side and larger Dimensions of the blades downstream of the narrowest cross section realized can be. This need may require cooling air to cool the film in transonic flow areas blow.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION THE INVENTION

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung respektive ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches eine Einbringung eines Sekundärfluids, z. B. Kühlluft, mittels einer Bohrung, z. B. einer Kühlluftbohrung, in eine transsonische, über eine Oberfläche strömende Primärströmung, z. B. eine Heissluftströmung in einer Gasturbine, erlaubt, ohne die eingangs genannten Nachteile aufzuweisen.The invention is therefore based on the object to provide a device or a method which involves the introduction of a secondary fluid, for. B. cooling air, by means of a hole, for. B. a cooling air hole, in a transonic, flowing over a surface primary flow, for. B. a hot air flow in a gas turbine ne, allowed, without having the disadvantages mentioned above.

Die Lösung dieser Aufgabe wird dadurch erreicht, dass die Austrittsöffnung der Bohrung in einer Vertiefung, respektive Mulde, in der Oberfläche angeordnet ist.This will solve this problem reached the exit opening the hole in a recess, or trough, arranged in the surface is.

Der Kern der Erfindung besteht mit anderen Worten darin, den Strömungsquerschnitt an der Stelle, an welcher das Sekundärfluid in die Primärströmung eingebracht wird, lokal zu erhöhen, sodass im Bereich der Einbringung der Primärströmung ein im wesentlichen unveränderter Strömungsquerschnitt zur Verfügung steht und so keine Stosswellen im Bereich der Einbringung entstehen können. Stromab der Vertiefung, wenn sich diese wieder der Oberfläche angleicht, hat sich das Sekundärfluid bereits so weit verteilt und homogen an den Primärstrom angepasst, dass Stosswellen auch in diesem Bereich im wesentlichen verhindert werden. Entsprechend erlaubt die Anordnung von derartigen Vertiefungen im Bereich der Einbringung eine Reduktion des ansonsten auftretenden Strömungswiderstandes. Die vorliegende Erfindung reduziert den Wellenwiderstand der durch z. B. Kühlluftausblasung in transsonische Strömungsbereiche entsteht. Die Erfindung ist dabei keinesfalls auf die Kühlluftausblasung bei Gasturbinen beschränkt, sondern sie bezieht sich auf alle Arten von Einbringung eines Sekundärfluids in eine transsonische Primärströmung. Die hier beschriebene Erfindung minimiert den Verlust der durch Kühlluftausblasung in Regionen hoher externer Strömungsmachzahl durch Anstieg des Wellenwiderstandes entsteht. Erreicht wird dies durch geometrische Ausformung der Kühlluftaustrittsgeometrie. Die Erfindung kann mit der Optimierung des Diffusors der Kühlluftbohrung geeignet kombiniert werden.The essence of the invention is with in other words, the flow cross section at the point where the secondary fluid is introduced into the primary flow is going to raise locally so that in the area of introducing the primary flow an essentially unchanged Flow cross section for disposal stands and so there are no shock waves in the area of insertion can. Downstream of the depression, when it again adjusts to the surface, has the secondary fluid already so widely distributed and homogeneously adapted to the primary current that shock waves can also be essentially prevented in this area. Corresponding allows the arrangement of such depressions in the area of Incorporation of a reduction in the otherwise occurring flow resistance. The present invention reduces the characteristic impedance of the z. B. Cooling air blowing into transonic flow areas arises. The invention is in no way based on the cooling air blowing limited to gas turbines, but it refers to all types of introduction of a secondary fluid into a transonic primary flow. The The invention described here minimizes the loss of air blowing in regions with a high external flow number arises from an increase in the wave resistance. This is achieved due to the geometric shape of the cooling air outlet geometry. The Invention can be achieved by optimizing the diffuser of the cooling air hole be combined appropriately.

Die Erfindung überträgt Whitcombs "transonic area rufe" auf die Einblasung eines Sekundärfluids in ein Primärfluid. Durch Konturierung der Kühlluftgeometrie und Aussenhaut der Schaufel im Falle für die Gasturbinenschaufelanwendung wird der Widerstand und hierdurch die Verluste signifikant reduziert. Die Erfindung ermöglicht Ausblasung in transsonische Strömungsgebiete.The invention transfers Whitcombs "transonic area calls" to the blowing a secondary fluid into a primary fluid. By contouring the cooling air geometry and blade outer skin in the case of gas turbine blade application the resistance and thereby the losses are significantly reduced. The invention enables Blowout into transonic flow areas.

Gemäss einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der Primärströmung um eine Strömung mit einer Machzahl M von im Bereich von 0,8 bis 1,2, insbesondere bevorzugt von 0,8 bis weniger als 1. Insbesondere im transsonischen Bereich unterhalb von M = 1 kann durch die Anordnung von Vertiefungen die Ausbildung von Stosswellen verhindert werden und der Strömungswiderstand gerig gehalten werden.According to a first preferred embodiment According to the invention, the primary flow is a flow with a Mach number M in the range from 0.8 to 1.2, particularly preferred from 0.8 to less than 1. Especially in the transonic range below M = 1, the arrangement of depressions can Shock waves are prevented and the flow resistance be kept.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Einbringung des Sekundärfluids, d. h. z. B. der Kühlluft, besonders schonend in den Primärstrom geschieht, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung im wesentlichen in einer Ebene angeordnet ist, welche senkrecht zur Oberfläche in Richtung der Primärströmung liegt. Die Sekundärströmung weist so bereits das richtige Moment in Strömungsrichtung der Primärströmung auf. Dabei schliesst die Bohrung mit der Strömungsrichtung der Primärströmung bevorzugt einen Winkel zwischen 0 und 90 Grad, insbesondere bevorzugt zwischen 30 und 60 Grad ein.Another preferred embodiment of the Invention in which the introduction of the secondary fluid, d. H. z. B. the cooling air, particularly gentle in the primary current happens, is characterized in that the bore essentially is arranged in a plane which is perpendicular to the surface in the direction the primary flow. The secondary flow points the right moment in the direction of flow of the primary flow. there preferably closes the bore with the flow direction of the primary flow an angle between 0 and 90 degrees, particularly preferably between 30 and 60 degrees.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Vertiefung an ihrer weitesten Stelle in Strömungsrichtung eine Fläche aufweist, welche im Bereich von einem Zehntel bis zu einem zehnfachen, bevorzugt von einem Zehntel bis 1 mal dem Strömungsquerschnitt an der betrachteten Stelle (ohne Vertiefung) entspricht. Um den Primärstrom möglichst wenig zu beeinflussen, erweist es sich als vorteilhaft, die Vertiefung in longitudinaler und/oder transversaler Richtung konkav im wesentlichen halbkreisförmig auszubilden. Bei der Gestaltung der Vertiefung sollte generell darauf geachtet werden, keine scharfen Kanten auszubilden, da diese zu Stresszonen führen, bei welchen bei thermischer Belastung leichte Risse entstehen können. Ausserdem führen scharfe Kanten häufig zu Strömungsabrissen und zu einem generell schlechten Strömungsverhalten.Another preferred embodiment draws is characterized by the deepening at its widest point in the direction of flow an area which is in the range of one tenth to ten times, preferably from one tenth to 1 times the flow cross section at the considered Position (without deepening). In order to influence the primary current as little as possible, it proves it is advantageous to deepen the longitudinal and / or transversely concave direction substantially semicircular. This should generally be taken into account when designing the specialization be sure not to form any sharp edges as these become stress zones to lead, in which slight cracks can occur under thermal stress. Furthermore to lead sharp edges often to stall and generally poor flow behavior.

Die Bohrung, durch welche das Sekundärfluid in die Primärströmung eingebracht wird, kann bevorzugtermassen im Bereich unmittelbar vor ihrer Öffnung zur Oberfläche der Vertiefung eine Aufweitung aufweisen. Es kann sich dabei um Aufweitungen handeln, wie sie z. B. in der US 6,129,515 beschrieben sind, es sind aber auch andere Diffusorformen möglich. Bei der Gestaltung der Bohrungen respektive deren Aufweitung und bei der Gestaltung der Vertiefung erweist es sich als vorteilhaft, diese folgendermassen zu dimensionieren: der Durchmesser der Bohrung verhält sich zum Durchmesser der Aufweitung an der Oberfläche der Vertiefung in einem Verhältnis zwischen 1,2 und 1,8 und/oder es verhält sich der Durchmesser der Aufweitung an der Oberfläche der Vertiefung zum Durchmesser der Vertiefung an der Oberfläche zwischen 1,2 und 1,8. Insbesondere im Bereich der Einbringung von Kühlluft in einen Heissluftstrom in einer Gasturbine z. B. unmittelbar stromab der Brennkammer im Zusammenhang mit der Filmkühlung von Laufschaufeln oder Leitschaufeln, zeigt es sich, das eine Auslegung der Bohrungen mit einem Durchmesser von im Bereich von 0,5 bis 1,5 mm, insbesondere bevorzugt von im Bereich von 0,8 mm geeignet ist. Bisherige Dokumente zur Kühlluftbohrungsoptimierung beinhalten lediglich den Aspekt der Optimierung der thermischen Wirkung des Kühlfilms, Staubeintrag und Fertigung der komplizierten Diffusorbohrungen.The bore through which the secondary fluid is introduced into the primary flow can preferably have a widening in the area immediately before its opening to the surface of the depression. It can be widenings such as z. B. in the US 6,129,515 are described, but other diffuser shapes are also possible. When designing the bores or their widening and when designing the depression, it proves to be advantageous to dimension them as follows: the diameter of the bore relates to the diameter of the widening on the surface of the depression in a ratio between 1.2 and 1, 8 and / or the diameter of the widening on the surface of the depression relates to the diameter of the depression on the surface between 1.2 and 1.8. In particular in the area of the introduction of cooling air into a hot air stream in a gas turbine z. B. immediately downstream of the combustion chamber in connection with the film cooling of moving blades or guide vanes, it turns out that the bores are designed with a diameter in the range from 0.5 to 1.5 mm, particularly preferably in the range from 0.8 mm is suitable. Previous documents on cooling air hole optimization only include the aspect of optimizing the thermal effect of the cooling film, dust entry and manufacture of the complicated diffuser holes.

Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der Primärströmung um eine Heissgasströmung in einer Turbinenanlage, insbesondere bevorzugt in einer Gasturbinenanlage, wobei es sich beim Sekundärfluid um Kühlluft handelt, welche zwecks Filmkühlung in die Primärströmung eingebracht wird. Dabei handelt es sich bevorzugtermassen bei der Oberfläche um die Oberfläche eines im wesentlichen unmittelbar stromab der Brennkammer angeordneten Bauteils der Turbinenanlage, wie z. B. insbesondere um die Oberfläche einer Laufschaufel, Leitschaufel, und/oder eines Gehäusebestandteils.According to a further preferred embodiment of the invention, the primary flow is a hot gas flow in a turbine system, particularly preferably in a gas turbine system, the secondary fluid being cooling air which is introduced into the primary flow for film cooling. Acting it is preferred for the surface to be the surface of a component of the turbine system arranged essentially immediately downstream of the combustion chamber, such as, for. B. in particular around the surface of a moving blade, guide blade, and / or a housing component.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemässen Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.Further preferred embodiments the inventive Device are in the dependent claims described.

Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Einbringung eines Sekundärfluids mittels einer Bohrung in eine transsonische, über eine Oberfläche strömende Primärströmung, insbesondere zur Einbringung von Kühlluft in eine transsonische, über eine Oberfläche strömende Heissgasströmung in einer Turbinenanlage zwecks Filmkühlung. Dabei wird das Sekundärfluid über eine Bohrung eingebracht, deren Austrittsöffnung in einer Vertiefung in der Oberfläche angeordnet ist. Bevorzugt wird ein derartiges Verfahren unter Verwendung einer Vorrichtung, wie sie oben beschrieben ist, durchgeführt. Das Verfahren kann mit grossem Vorteil dann eingesetzt werden, wenn sich die Machzahl der transsonischen Primärströmung im Bereich von 0,8 bis 1 bewegt.Furthermore, the present concerns Invention a method for introducing a secondary fluid by means of a bore in a transonic primary flow flowing over a surface, in particular for the introduction of cooling air into a transonic, about a surface flowing hot gas flow in a turbine system for film cooling. The secondary fluid flows through a hole introduced the outlet opening is arranged in a recess in the surface. Prefers is such a method using a device as described above. The procedure can be done with great advantage if the Mach number of the transonic primary flow in Range moved from 0.8 to 1.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGURENSHORT EXPLANATION THE FIGURES

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:The invention is based on the following of embodiments are explained in more detail in connection with the drawings. Show it:

1 einen Schnitt in Strömungsrichtung durch eine von einem transsonischen Heissgas überströmte Oberfläche mit einer Kühlluftbohrung; 1 a section in the flow direction through a surface flowed over by a transonic hot gas with a cooling air bore;

2 a) ein transsonisch angeströmtes Flugzeug ohne Verjüngung; b) ein transsonisch angeströmtes Flugzeug mit Verjüngung; c) den Widerstand als Funktion der Machzahl ; und 2 a) a transsonically approached aircraft without rejuvenation; b) a transsonically approached aircraft with a taper; c) resistance as a function of Mach number; and

3 a) einen Schnitt in Strömungsrichtung gemäss 1 mit einer Kühlluftbohrung in einer konkaven Aussparung; b) einen Schnitt gemäss 3a) aber senkrecht zur Strömungsrichtung des Heissgases; c) eine Ansicht von oben auf eine Bohrung mit Vertiefung. 3 a) a section in the flow direction according to 1 with a cooling air hole in a concave recess; b) a cut according to 3a ) but perpendicular to the flow direction of the hot gas; c) a top view of a hole with a recess.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGWAYS TO EXECUTE THE INVENTION

1 zeigt einen Schnitt durch ein Turbinenblatt 1 senkrecht zur Ebene respektive Oberfläche 15 des Turbinenblattes 1 und parallel zur Strömungsrichtung einer Heissluftströmung 4 (Primärströmung) nach dem Stand der Technik. Der Schnitt führt dabei durch eine Kühlluftbohrung 3, durch welche Kühlluft 5 in den Heissluftstrom 4 eingeblasen wird. Die Kühlluft 5 dient dazu, den stromab der Kühlluftbohrung 3 angeordneten Bereich mit einem Kühlluftfilm 7 zu beaufschlagen. 1 shows a section through a turbine blade 1 perpendicular to the plane or surface 15 of the turbine blade 1 and parallel to the direction of flow of a hot air flow 4 (Primary flow) according to the prior art. The cut leads through a cooling air hole 3 through which cooling air 5 in the hot air flow 4 is blown in. The cooling air 5 serves the downstream of the cooling air hole 3 arranged area with a cooling air film 7 to act upon.

Handelt es sich bei der Heissluftströmung 4 um eine transsonische Strömung, das heisst liegt eine Machzahl M von zwischen 0,8 bis 1,2 vor, so bildet sich bei der Kühlluftbohrung 3 ein Bereich der Stosswellen 6 aus. Die Reduktion des dem Heissluftstrom 4 zur Verfügung stehenden Querschnitts durch die Einleitung von Kühlluft 5 führt zu dieser Ausbildung von Stosswellen 6.Is it the hot air flow 4 a transonic flow, i.e. a Mach number M of between 0.8 and 1.2, is formed in the cooling air bore 3 a range of shock waves 6 out. The reduction of the hot air flow 4 available cross section through the introduction of cooling air 5 leads to this formation of shock waves 6 ,

Zur Illustration des erfindungsgemässen Prinzips dient 2. Flugzeuge, die transsonische Fluggeschwindigkeiten erreichen, weisen im Bereich des Flügelansatzes eine kontinuierliche Verjüngung auf, wodurch ein glatter Übergang in Stromrichtung der Querschnittsfläche erreicht wird, und der maximale Querschnitt, den die Strömung sieht, reduziert wird. Für die auf Grund der endlichen Dicke der Tragflächen beschleunigte Strömung am Tragflächenansatz wird durch diese Verjüngung ein zusätzlicher Raum zur Verfügung gestellt. Durch diese Massnahme lässt sich der Widerstand des Flugzeuges bei schallnaher Geschwindigkeit um bis zu 75% reduzieren. Die Idee geht auf R. Whitcomb zurück (siehe beispielsweise J. D. Anderson, "Modern compressible flow", Mc Graw Hill, 2nd Edition, 19990, USA). 2a zeigt schematisch ein Flugzeug 9 mit Tragflügeln 10, welches im schallnahen Bereich fliegt. Die Anströmung 8, wird z. B. bei bereits leicht oberhalb von Mach 0.8 durch das Flugzeug infolge der Verdrängung durch den Rumpf an der Rumpfoberfläche auf Schallgeschwindigkeit beschleunigt. Im Tragflügelbereich wird die Geschwindigkeit der Strömung noch weiter erhöht, wodurch der Widerstand ebenfalls steil ansteigend zunimmt. Dieses Verhalten ist in der Grafik gemäss 2c) dargestellt, wo durch die Kurve a der Widerstand W eines Flugzeugs ohne Verjüngung im Tragflügelbereich dargestellt ist. Oberhalb eines kritischen Werts der Machzahl (Mkrit, typischerweise 0.8) nimmt der Widerstand plötzlich massiv zu. 2b) zeigt nun ein Flugzeug, bei welchem Verjüngungen 11 im Bereich der Tragflügel 10 vorhanden sind. Betrachtet man den Widerstand als Funktion der Machzahl für eine derartige Konstruktion, so ergibt sich das Verhalten gemäss Kurve b in 2c). Die Verjüngung 11 führt zu einer starken Reduktion R des Widerstands oberhalb des kritischen Werts der Machzahl Mkrit. Dieses Verhalten ist unter dem Begriff der Flächenregel bekannt.It serves to illustrate the principle according to the invention 2 , Airplanes that reach transonic flight speeds have a continuous taper in the area of the wing attachment, as a result of which a smooth transition in the flow direction of the cross-sectional area is achieved and the maximum cross-section that the flow sees is reduced. This taper provides additional space for the flow at the wing attachment, which is accelerated due to the finite thickness of the wings. This measure reduces the aircraft's resistance at speeds close to sound by up to 75%. The idea goes back to R. Whitcomb (see for example JD Anderson, "Modern compressible flow", Mc Graw Hill, 2nd Edition, 19990, USA). 2a schematically shows an airplane 9 with wings 10 , which flies in the area close to the sound. The inflow 8th , z. B. already slightly above Mach 0.8 accelerated to the speed of sound by the aircraft as a result of displacement by the fuselage at the fuselage surface. In the wing area, the speed of the flow is increased even further, whereby the resistance also increases steeply. This behavior is shown in the graphic 2c ), where the curve W shows the resistance W of an aircraft without tapering in the wing area. Above a critical value of the Mach number (M crit , typically 0.8), the resistance suddenly increases massively. 2 B ) now shows an airplane, where tapered 11 in the area of the wing 10 available. If one considers the resistance as a function of the Mach number for such a construction, the behavior according to curve b in 2c ). The rejuvenation 11 leads to a strong reduction R of the resistance above the critical value of the Mach number M crit . This behavior is known as the area rule.

Dieses Prinzip, welches bisher im Zusammenhang mit der Einbringung eines Sekundärfluids in einer Primärströmung insbesondere im Zusammenhang mit der Kühlung von Turbinenbestandteilen noch nicht verwendet worden ist, soll erfindungsgemäss wie folgt Anwendung finden. 3a) zeigt einen Schnitt senkrecht zur Oberfläche 15 eines Turbinenblattes 1 in einer Gasturbine. Die Oberfläche 15 wird dabei von einem Heissluftstrom 4 überstrichen, wobei der Heissluftstrom im transsonischen Bereich strömt. Die Kühlluft 5 zur Ausbildung des Kühlluftfilms 7 wird hier nicht mehr direkt an der Oberfläche 15 eingeblasen wie in 1 dargestellt. Der Kühlluftkanal 3 mündet nicht direkt an der Oberfläche 15 in den Heissluftstrom 4, sondern mündet in der Oberfläche 15 in eine Vertiefung 16. Die Bohrung 3 erweitert sich dabei bereits kurz vor der Mündung in die Vertiefung 16 in einer Aufweitung 12 (Diffusor). Diese Aufweitung verbessert die Einleitung der Kühlluft 5 in den Heissluftstrom 4. Der Kühlluftkanal 3 liegt im wesentlichen in einer Ebene, welche senkrecht zur Oberfläche 15 durch die Strömungsrichtung des Heissluftstroms 4 aufgespannt wird. Der Kühlluftkanal 3 ist mit einem Winkel α zur Ebene der Oberfläche 15 angewinkelt. Dieser Winkel kann im Bereich von nahe 0 bis 90 Grad liegen, typischerweise sind Winkel von zwischen 30 bis 60 Grad sinnvoll, wobei die Einströmung der Kühlluft um so flacher erfolgen sollte, je höher die Geschwindigkeit des Heissluftstromes ist. So werden unnötige asymmetrische seitliche und orthogonale Komponenten der Kühlluft 5 vermieden. 3b) zeigt einen Schnitt senkrecht zur Strömungsrichtung des transsonischen Heissgases 4. Die Kreise mit einem Punkt bedeuten dabei eine Strömungsrichtung aus der Papierebene hinaus auf den Betrachter zu. 3c) zeigt eine Aufsicht auf eine derartige Vorrichtung zur Einbringung von Kühlluft 5 in einen Heissluftstrom 4.This principle, which has not yet been used in connection with the introduction of a secondary fluid in a primary flow, in particular in connection with the cooling of turbine components, is to be used according to the invention as follows. 3a ) shows a section perpendicular to the surface 15 of a turbine blade 1 in a gas turbine. The surface 15 is thereby from a hot air flow 4 swept over, the hot air flow flowing in the transonic area. The cooling air 5 for the formation of the cooling air film 7 is no longer directly on the surface here 15 blown in like in 1 shown. The cooling air duct 3 does not open directly on the surface 15 in the hot air flow 4 , but ends up in the surface 15 into a depression 16 , The hole 3 expands already shortly before the mouth into the depression 16 in an expansion 12 (Diffuser). This expansion improves the introduction of the cooling air 5 in the hot air flow 4 , The cooling air duct 3 lies essentially in a plane which is perpendicular to the surface 15 through the flow direction of the hot air flow 4 is spanned. The cooling air duct 3 is at an angle α to the plane of the surface 15 bent. This angle can be in the range of close to 0 to 90 degrees, typically angles of between 30 to 60 degrees are sensible, the inflow of cooling air should be shallower the higher the speed of the hot air flow. In this way, unnecessary asymmetrical lateral and orthogonal components of the cooling air become 5 avoided. 3b ) shows a section perpendicular to the flow direction of the transonic hot gas 4 , The circles with a point mean a direction of flow from the paper plane towards the viewer. 3c ) shows a top view of such a device for introducing cooling air 5 into a hot air stream 4 ,

Die Vertiefung ist in diesem Falle sowohl in longitudinaler Richtung der Heissgasströmung 4 als halbkreisförmige, konische Vertiefung 13 ausgebildet, als auch in der transversalen Richtung senkrecht zur Heissgasströmung 4, wie dies durch das Bezugszeichen 14 angedeutet wird. Die Vertiefung weist, wie in 3c) sichtbar, eine elliptische, in Strömungsrichtung verlängerte Form auf, sie kann aber auch eine andere, z.B. kreisrunde Form annehmen. Die Kühlluftbohrung 3 kann im Zentrum und/oder an der tiefsten Stelle der Vertiefung 16 angeordnet sein, sie kann aber auch z. B. etwas stromauf versetzt angeordnet sein. Die Vertiefung muss nicht halbkreisförmig konkav ausgebildet sein, sondern kann spezielle konkave Kontoren annehmen, je nach den strömungsmässigen Erfordernissen.In this case, the depression is both in the longitudinal direction of the hot gas flow 4 as a semicircular, conical depression 13 trained, as well as in the transverse direction perpendicular to the hot gas flow 4 as indicated by the reference symbol 14 is indicated. The depression points, as in 3c ) has an elliptical shape that is elongated in the direction of flow, but it can also take on a different shape, for example a circular shape. The cooling air hole 3 can be in the center and / or at the deepest point of the depression 16 be arranged, but it can also, for. B. be slightly offset upstream. The depression does not have to be semicircular concave, but can take special concave contours, depending on the flow requirements.

Im Bereich der Filmkühlung von Laufschaufeln weisen die Kühlluftbohrungen 3 typischerweise einen Durchmesser von ca. 0.8 Millimeter auf. Der austrittseitige Durchmesser der Aufweitung 12 ist dabei typischerweise 2 bis 8 -mal grösser als dieser Durchmesser der Bohrung 3. Der Aussen-Durchmesser der Vertiefung 16 ist nochmals 2 bis 8 -mal grösser als der austrittseitige Durchmesser der Aufweitung 12.In the area of film cooling of rotor blades, the cooling air holes have 3 typically a diameter of approximately 0.8 millimeters. The exit diameter of the expansion 12 is typically 2 to 8 times larger than this diameter of the bore 3 , The outside diameter of the recess 16 is again 2 to 8 times larger than the outlet-side diameter of the expansion 12 ,

Typischerweise weist die Vertiefung eine Tiefe T auf, sodass der dadurch an der weitesten Stelle zusätzlich zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt 0,1 bis 10 mal, bevorzugt 0,1 bis 1 mal dem Strömungsquerschnitt entspricht, welcher ohne Vertiefung vorliegt.Typically, the depression has a depth T, so that the additional flow cross-section available as a result 0 . 1 to 10 times, preferably 0.1 to 1 times the flow cross section, which is present without a recess.

Für die Anwendung der Erfindung ist der Strömungsquerschnitt, den die Kühlluft 5 auf Austritt überstreicht aus der Massenbilanz zu bestimmen. Der Strömungsquerschnitt ist der massgebliche Parameter für die vorzunehmenden Geometrieänderungen. Anschliessend wird durch mehrere Massnahmen die Verkleinerung des Strömungsquerschnitts für die Heissgasströmung 4 kontinuierlich in Stromrichtung erreicht. Abrupte Änderungen sind zu vermeiden. Die Massnahmen beinhalten:For the application of the invention is the flow cross-section that the cooling air 5 to determine swept out of the mass balance. The flow cross-section is the decisive parameter for the geometry changes to be made. Subsequently, several measures are used to reduce the flow cross-section for the hot gas flow 4 achieved continuously in the direction of flow. Abrupt changes should be avoided. The measures include:

  • 1. Longitudinale Mulde in der Aussenhaut der Schaufel (3a)1. Longitudinal trough in the outer skin of the blade ( 3a )
  • 2. Transversale Mulde in der Aussenhaut der Strömung (3b)2. Transversal trough in the outer skin of the flow ( 3b )
  • 3. Anstellung der Kühlluftbohrung in radialer Richtung (3a), Winkel α)3. Starting the cooling air hole in the radial direction ( 3a ), Angle α)

Bei diesen Massnahmen handelt es sich um lokale Massnahmen, die in der Umgebung der Kühlluftbohrung 3 durchgeführt werden können. Dies kann beispielsweise durch Modifikation der Gussform geschehen. Fernab, stromab vom Loch 3, kann durch geringfügiges Zurücknehmen der Schaufelkontur der Widerstand reduziert werden. Jeweils massgeblich ist der lokale Strömungsquerschnitt, den die Kühlluft 5 einnimmt. Die Geometriemodifikationen 1.-3. können mit Diffusorformen 12 geeignet kombiniert werden.These measures are local measures that take place in the vicinity of the cooling air hole 3 can be carried out. This can be done, for example, by modifying the mold. Far away, downstream of the hole 3 , the resistance can be reduced by slightly withdrawing the blade contour. The local flow cross-section, which is the cooling air, is decisive 5 occupies. The geometry modifications 1 , -3 , can with diffuser shapes 12 be combined appropriately.

11
Turbinenblattturbine blade
22
Hohlraumcavity
33
KühlluftbohrungCooling air hole
44
Heissluftströmung (Primärströmung)Hot air flow (primary flow)
55
Kühlluftströmung (Sekundärströmung)Cooling air flow (secondary flow)
66
Bereich der StosswellenArea the shock waves
77
KühlluftfilmCooling air film
88th
Anströmunginflow
99
Flugzeugplane
1010
TragflügelHydrofoil
1111
Verjüngung im Bereich der TragflügelRejuvenation in Area of the wing
1212
Aufweitung der Kühlluftbohrungwidening the cooling air hole
1313
konische Aussparung bei der Kühlluftbohrung in longitudinaler Richtungconical Cutout in the cooling air hole in the longitudinal direction
1414
konische Aussparung bei der Kühlluftbohrung in transversaler Richtungconical Cutout in the cooling air hole in the transverse direction
1515
Oberfläche von 1Surface of 1
1616
Vertiefungdeepening
WW
Widerstandresistance
MM
MachzahlMach number
Mkrit,M crit ,
kritische Machzahlcritical Mach number
aa
Flugzeug ohne Verjüngung im Tragflügelbereichplane without rejuvenation in the wing area
bb
Flugzeug mit Verjüngung im Tragflügelbereichplane with rejuvenation in the wing area
RR
Reduktion des Widerstands auf Grund der Verjüngungreduction resistance due to rejuvenation
α α
Neigungswinkel der Kühlluftbohrung in Strömungsrichtung der Heissluftströmungtilt angle the cooling air hole in the direction of flow the hot air flow
T T
Tiefe der Vertiefung 16depth the recess 16

Claims (11)

Vorrichtung (3, 12, 13) zur Einbringung eines Sekundärfluids (5) mittels einer Bohrung (3,12) in eine transsonische, über eine Oberfläche (15) strömende Primärströmung (4) dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung der Bohrung (3,12) in einer Vertiefung (13) in der Oberfläche (15) angeordnet ist.Contraption ( 3 . 12 . 13 ) for the introduction of a secondary fluid ( 5 ) by means of a hole ( 3 . 12 ) in a transonic, over a surface ( 15 ) stream primary flow ( 4 ) characterized in that the outlet opening of the bore ( 3 . 12 ) in a recess ( 13 ) in the surface ( 15 ) is arranged. Vorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärströmung (4) eine Machzahl (M) von im Bereich von 0,8 bis 1,2, insbesondere von 0,8 bis weniger als 1 aufweist.Device according to claim 1, characterized in that the primary flow ( 4 ) has a Mach number (M) in the range from 0.8 to 1.2, in particular from 0.8 to less than 1. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (3,12) im wesentlichen in einer Ebene angeordnet ist, welche senkrecht zur Oberfläche (15) in Richtung der Primärströmung (4) liegt, wobei die Bohrung (3,12) mit der Strömungsrichtung der Primärströmung (4) einen Winkel zwischen 0 und 90 Grad, insbesondere bevorzugt zwischen 30 und 60 Grad einschliesst.Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the bore ( 3 . 12 ) is essentially arranged in a plane that is perpendicular to the surface ( 15 ) in the direction of the primary flow ( 4 ), the bore ( 3 . 12 ) with the flow direction of the primary flow ( 4 ) includes an angle between 0 and 90 degrees, particularly preferably between 30 and 60 degrees. Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (13) eine Tiefe (T) aufweist, sodass die durch die Vertiefung (13) zusätzlich zur Verfügung stehende Querschnittsfläche einem 0,1 bis 10-fachen, bevorzugt einem 0,1 bis 1-fachen der ohne Vertiefung (13) vorliegenden Querschnittsfläche entspricht, wobei die Vertiefung (13) bevorzugt in longitudinaler und/oder transversaler Richtung konkav im wesentlichen halbkreisförmig ausgebildet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the recess ( 13 ) has a depth (T) so that the through the recess ( 13 ) additionally available cross-sectional area 0.1 to 10 times, preferably 0.1 to 1 times that without recess ( 13 ) corresponds to the present cross-sectional area, the depression ( 13 ) is preferably concave essentially semicircular in the longitudinal and / or transverse direction. Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (3) im Bereich unmittelbar vor ihrer Öffnung zur Oberfläche der Vertiefung (13) eine Aufweitung (12) aufweist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the bore ( 3 ) in the area immediately before its opening to the surface of the depression ( 13 ) an expansion ( 12 ) having. Vorrichtung gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Bohrung (3) sich zum Durchmesser der Aufweitung (12) an der Oberfläche der Vertiefung (13) zwischen 1,2 und 1,8 verhält, und/oder dass der Durchmesser der Aufweitung (12) an der Oberfläche der Vertiefung (13) sich zum Durchmesser der Vertiefung an der Oberfläche (15) zwischen 1:2 und 1:8 verhält.Device according to claim 5, characterized in that the diameter of the bore ( 3 ) the diameter of the expansion ( 12 ) on the surface of the depression ( 13 ) between 1.2 and 1.8, and / or that the diameter of the expansion ( 12 ) on the surface of the depression ( 13 ) the diameter of the depression on the surface ( 15 ) between 1: 2 and 1: 8. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (3) einen Durchmesser von im Bereich von 0,5 bis 1,5 mm, insbesondere im Bereich von 0,8 mm, aufweist,Device according to one of claims 5 or 6, characterized in that the bore ( 3 ) has a diameter in the range from 0.5 to 1.5 mm, in particular in the range from 0.8 mm, Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Primärströmung (4) um eine Heissgasströmung in einer Turbinenanlage, insbesondere bevorzugt in einer Gasturbinenanlage handelt, und dass es sich beim Sekundärfluid (5) um Kühlluft handelt, welche zwecks Filmkühlung (7) in die Primärströmung (4) eingebracht wird.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the primary flow ( 4 ) is a hot gas flow in a turbine system, particularly preferably in a gas turbine system, and that the secondary fluid ( 5 ) is cooling air, which is used for film cooling ( 7 ) into the primary flow ( 4 ) is introduced. Vorrichtung gemäss Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Oberfläche (15) um die Oberfläche eines im wesentlichen unmittelbar stromab der Brennkammer angeordneten Bauteils der Turbinenanlage handelt, wie z. B. insbesondere um die Oberfläche (15) einer Laufschaufel, Leitschaufel, und/oder eines Gehäusebestandteils.Device according to claim 8, characterized in that the surface ( 15 ) is the surface of a component of the turbine system arranged substantially immediately downstream of the combustion chamber, such as, for. B. especially around the surface ( 15 ) a moving blade, guide blade, and / or a housing component. Verfahren zur Einbringung eines Sekundärfluids (5) mittels einer Bohrung (3) in eine transsonische, über eine Oberfläche (15) strömende Primärströmung (4), insbesondere zur Einbringung von Kühlluft (5) in eine transsonische, über eine Oberfläche (15) strömende Heissgasströmung (4) in einer Turbinenanlage zwecks Filmkühlung (7), dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundärfluid (5) über eine Bohrung (5) eingebracht wird, deren Austrittsöffnung in einer Vertiefung (13) in der Oberfläche (15) angeordnet ist.Process for introducing a secondary fluid ( 5 ) by means of a hole ( 3 ) in a transonic, over a surface ( 15 ) flowing primary flow ( 4 ), especially for the introduction of cooling air ( 5 ) in a transonic, over a surface ( 15 ) flowing hot gas flow ( 4 ) in a turbine plant for film cooling ( 7 ), characterized in that the secondary fluid ( 5 ) through a hole ( 5 ) is introduced, the outlet opening of which is in a recess ( 13 ) in the surface ( 15 ) is arranged. Verfahren gemäss Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 9 verwendet wird.Procedure according to Claim 10, characterized in that a device according to one of the Expectations 1 to 9 is used.
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