DE19612840A1

DE19612840A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Kühlung einer einseitig von Heissgas umgebenen Wand

Info

Publication number: DE19612840A1
Application number: DE19612840A
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr Wilfert
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1996-03-30
Filing date: 1996-03-30
Publication date: 1997-10-02
Also published as: EP0798448A2; US5779438A; EP0798448A3; DE59710009D1; JPH108909A; JP3886593B2; EP0798448B1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kühlung einer einseitig von Heißgas umgebenen Wand, insbe sondere des Hohlprofilkörpers einer Gasturbinenschaufel, ent sprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Zur Steigerung der Leistung und des Wirkungsgrades werden bei den heutigen Gasturbinenanlagen immer höhere Turbinenein trittstemperaturen verwendet. Um die Turbinenschaufeln vor den erhöhten Heißgastemperaturen zu schützen, müssen diese intensiver als bisher gekühlt werden. Bei entsprechend hohen Turbineneintrittstemperaturen reicht daher eine rein konvek tive Kühlung nicht mehr aus. Abhilfe schafft hier die Film kühlung, bei der die Turbinenschaufeln durch Kühlfilme vor dem Heißgas geschützt werden. Dazu sind in den Schaufeln entsprechende Ausnehmungen in Form von Bohrungen oder Schlit zen eingebracht, durch welche die Kühlluft ausgeblasen wird.

Eine solche Kombination von konvektiver Kühlung und Filmküh lung einer Turbinenschaufel ist bereits aus der EP-A2-258 754 bekannt. Bei dieser Lösung ist zumindest ein Kühleinsatz im Schaufelhohlraum angeordnet. Die aus Öffnungen des Kühlein satzes austretende Kühlluft prallt zunächst auf die innere Oberfläche des Schaufelmantels, wird danach im Hohlraum zwi schen Kühleinsatz und Schaufelmantel, diesen konvektiv küh lend geführt und tritt schließlich über Bohrungen im Schau felmantel auf dessen äußere Oberfläche, diese filmkühlend aus.

Für einen optimalen Kühleffekt muß die ausgeblasene Kühlluft möglichst schnell umgelenkt werden und schützend an der Pro filoberfläche entlangströmen. Um auch die zwischen den Boh rungen liegenden Gebiete zu schützen, ist zudem eine schnelle seitliche Ausbreitung der Kühlluft erforderlich. In den Mi schungsbereichen des Heißgases mit den Kühlluftstrahlen ent stehen verschiedenste Wirbel, welche eine entscheidende Be deutung für die Schutzwirkung einer Kühlkonfiguration besit zen. Beispielsweise wird durch die Krümmung der Kühlluft strahlen bei deren Austritt aus den Bohrungen ein sogenannter Nierenwirbel, d. h. ein aus einem rechts- und einem linksdre henden Wirbel bestehendes Wirbelpaar, erzeugt. Dieser Nieren wirbel transportiert jedoch einen Teil des Heißgases zwi schen den Bohrungen direkt auf die Profiloberfläche der Tur binenschaufeln und damit unter die Kühlluftstrahlen, was sich als gravierender Nachteil erweist.

Es ist bereits bekannt, durch eine entsprechende Gestaltung (Konturierung) der Innengeometrie der Turbinenschaufel die Kühlluft so in die Bohrung umzulenken, daß dort ein Wirbel paar, mit einem zum Nierenwirbel entgegengesetzten Drehsinn entsteht (s. G. Wilfert, Dissertationsschrift zum Thema "Ex perimentelle und numerische Untersuchungen der Mischungsvor gänge zwischen Kühlfilmen und Gitterströmung an einem hoch belasteten Turbinengitter", S. 54, S. 70-74 und Abb. 7.2, Mün chen 1994). Aufgrund eines solchen Innenwirbels dissipiert der Nierenwirbel sehr schnell und das Heißgas wird nicht seitlich unter den Kühlluftstrahl eingesaugt, sondern durch den Ausblasestrahl gekühlt zur Profiloberfläche geführt. Da mit ist es möglich, die Kühleffektivität im Bohrungszwischen raum vorteilhaft und ohne vermehrte Zufuhr von Kühlluft zu steigern.

Ein wesentlicher Nachteil dieser Lösung ist jedoch die schwa che Intensität des Innenwirbels, so daß sich dieser relativ schnell auflöst und nicht dauerhaft zur Verbesserung der Kühleffektivität genutzt werden kann.

Zur Verbesserung der Filmkühlung sind sogenannte fan-shaped-Boh rungen bekannt. Bei dieser Lösung wird der Ausblaseimpuls des Kühlluftstrahls mittels eines in der Bohrung ausgebilde ten Diffusors herabgesetzt. Damit wird eine schnellere late rale Ausbreitung des Kühlluftstrahls erreicht, respektive eine verbesserte Filmkühlung erzielt. Die Herstellung solcher fan-shaped-Bohrungen ist jedoch sehr aufwendig und eine mit derartigen Bohrungen ausgestattete Wand entsprechend teuer.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache, mit einer ver besserten Kühlwirkung ausgestattete Vorrichtung und ein ent sprechendes Verfahren zur Kühlung einer einseitig von Heiß gas umgebenen Wand zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, stromauf jeder Reihe von Ausnehmungen eine radiale Rippe an der inne ren Oberfläche der Wand angeordnet ist. Zudem ist der Kühl einsatz, im Bereich der Ausnehmungen, in Richtung der Wand verformt und dabei zumindest annähernd parallel zum Ein trittswinkel der Ausnehmungen ausgebildet.

Mit dieser die konvektive Kühlung und die Filmkühlung kombi nierenden Kühlkonfiguration wird die Einströmung des Kühl fluids in die Ausnehmungen verbessert, wodurch auch die dies bezüglichen Einlaufverluste reduziert werden. Dazu wird das Kühlfluid bereits vor Erreichen der Ausnehmungen in deren Richtung umgelenkt, wobei die Umlenkung mit Hilfe der Rippe wesentlich verstärkt wird. Vor allem erfolgt jedoch eine Ver stärkung des sich jeweils innerhalb der Ausnehmungen ausbil denden und entgegengesetzt zum Nierenwirbel ausgerichteten Wirbelpaares, so daß dieses eine erhöhte Wirbelintensität aufweist. Dieser sich am unteren Strahlrand der jeweiligen Kühlluftstrahlen befindliche Innenwirbel bleibt nunmehr auch beim Austritt aus den Ausnehmungen erhalten, während der am oberen Strahlrand ausgebildete Nierenwirbel zwischen der Hauptströmung des Heißgases und dem Kühlluftstrahl aufgelöst wird. Dadurch wird das Heißgas nicht mehr seitlich unter den Kühlluftstrahl eingesaugt, sondern durch diesen gekühlt zur Oberfläche der Wand geführt. Auf diese Weise kann eine ent scheidende Verbesserung der Filmkühlung erzielt werden.

Außerdem wird durch die Rippen auch die konvektive Kühlung der Wand zwischen den benachbarten Reihen von Ausnehmungen verbessert. Die im Bereich der Ausnehmungen, in Richtung der Wand ausgebildete Verformung des Kühleinsatzes erzeugt sowohl eine erhöhte Geschwindigkeit des nicht in die Ausnehmungen sondern weiter stromab zwischen Wand und Kühleinsatz strömen den Kühlfluids als auch eine auf die Wand gerichtete Strö mung. Aufgrund dieser zusätzlichen Prallkühlung und der er höhten Strömungsgeschwindigkeit wird ein verbesserter Wärme übergang von der Wand zum Kühlfluid erreicht.

Schlußfolgernd daraus wird nicht nur die Filmkühlung sondern die gesamte Kühlung der Wand erheblich verbessert. Dadurch kann Kühlluft eingespart und an anderer Stelle vorteilhaft verwendet werden. Die Herstellungskosten einer solchen Kühl vorrichtung liegen im Vergleich zu denen herkömmlicher Kühl konfigurationen nicht nennenswert höher. Gegenüber fan-shaped-Bohrungen ist jedoch eine wesentliche Kostenersparnis zu verzeichnen.

Eine derart gekühlte Wand kann vorteilhaft auch als Brennkam merwand oder auch als Wärmestausegment einer Gasturbine ver wendet werden.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn die Rippen bis etwa dem 3fachen Durchmesser der jeweiligen Ausnehmungen, von deren Eintrittsmittelpunkt entfernt angeordnet sind und ca. einen halben bis einen Durchmesser der Ausnehmungen in den Kühl hohlraum hineinragen. Der Kühleinsatz verschließt den Kühl hohlraum im Bereich der Ausnehmungen bis auf maximal 30% des Normalabstandes von Wand und Kühleinsatz. Mit einer solchen Kühlkonfiguration läßt sich der Innenwirbel optimal an die konkreten Betriebsbedingungen anpassen, so daß ein stabiles Innenwirbelpaar die Folge ist. Außerdem werden die Strö mungsverluste des in die Ausnehmung eintretenden Kühlfluids verringert.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn stromab der Ausnehmungen je weils zumindest ein Abstandhalter und/oder zumindest ein Stift im Kühlhohlraum angeordnet und mit der inneren Oberflä che der Wand verbunden sind. Dabei reichen die Abstandhalter bis zum Kühleinsatz, während die Stifte bereits zuvor enden. Die bereits aus dem Stand der Technik bekannten Abstandhalter können in Kombination mit der erfindungsgemäßen Filmkühlung sehr effektiv eingesetzt werden. Dabei ist deren Anordnung genau zwischen zwei Reihen benachbarter Ausnehmungen beson ders vorteilhaft. In diesem Bereich, in dem bis ca. 5 Ausneh mungsdurchmesser stromab des Mittelpunktes der Ausnehmung na hezu keine Filmkühlung erzielt wird, wirken die Abstandhalter als zusätzliche Wärmesenken für die zu kühlende Wand, d. h. sie sorgen für einen Wärmeabfluß von der Wand zum Kühlfluid. Bei Verwendung von Stiften wirkt deren zusätzliche Oberfläche und die damit erzeugte, turbulente Durchmischung des Kühl fluids ebenfalls als Wärmesenke.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Gasturbinenleitschaufel dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Profilquerschnitt einer Gasturbinenleitschaufel des Standes der Technik;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des auf der äußeren Oberfläche des Außenmantel ausgebildeten Nierenwir bels, in Hauptströmungsrichtung gesehen;

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt der erfindungsgemäß ausgebildeten Gasturbinenleitschaufel, im Bereich ei ner der Ausnehmungen der Schaufelwand;

Fig. 4 einen Schnitt IV-IV durch die Ausnehmung der Leit schaufel, entsprechend Fig. 3.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt ist die gesamte Gasturbinenanlage mit dem Verdichter und der Gasturbine. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeich net.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die Leitschaufel 1 einer Gasturbine besteht aus einem Hohl profilkörper 2, der eine als Außenmantel ausgebildete Wand 3, einen im Abstand dazu angeordneten Kühleinsatz 4 und einen zwischen beiden ausgebildeten Kühlhohlraum 5 aufweist. Im In neren des Kühleinsatzes 4 ist ein Schaufelhohlraum 6 ausge bildet, welcher auf herkömmliche Weise mit dem nicht darge stellten Verdichter der Gasturbinenanlage verbunden ist und von diesem mit als Kühlfluid 7 dienender Kühlluft beauf schlagt wird. Der Außenmantel 3 besitzt eine äußere und eine innere Oberfläche 8, 9, zwischen denen mehrere Reihen von als Kühlbohrungen ausgebildeten Ausnehmungen 10 angeordnet sind. Der Schaufelhohlraum 6 ist über mehrere im Kühleinsatz 4 angeordnete Öffnungen 11 mit dem Kühlhohlraum 5 verbunden (Fig. 1). Natürlich kann die Leitschaufel 1 auch nur eine einzige Reihe von Kühlbohrungen 10 besitzen.

Während des Betriebs der Gasturbinenanlage strömt Heißgas 12 aus der nicht dargestellten Brennkammer über die Leitschau feln 1 und die ebenfalls nicht gezeigten Laufschaufeln der Gasturbine. Daher müssen diese ständig gekühlt werden. Die Kühlung der Leitschaufeln 1 erfolgt mittels der vom Verdich ter herangeführten Kühlluft 7, wobei diese über die Öffnungen 11 des Kühleinsatzes 4 in den Kühlhohlraum 5 eindringt und zunächst die innere Oberfläche 9 des Außenmantel 3 konvektiv kühlt. Anschließend wird die Kühlluft 7 durch die Kühlboh rungen 10 in einer Vielzahl von Kühlluftstrahlen auf der äußeren Oberfläche 8 des Außenmantels 3 ausgeblasen. Die Krüm mung dieser Kühlluftstrahlen bei ihrem Austritt in die Haupt strömung des Heißgases 12 erfolgt in einem Austrittswinkel 13 von etwa 30°. Dabei werden im Mischungsbereich Sekundär strömungen erzeugt, die ein Wirbelpaar 14 mit einem rechts- und einem linksdrehenden Wirbel bilden. Dieser sogenannte Nierenwirbel 14 transportiert das Heißgas 12 direkt auf die äußere Oberfläche 8 der Leitschaufel 1 (Fig. 2). Um Schäden an der Leitschaufel 1 zu verhindern, muß jedoch ihr direkter Kontakt mit dem Heißgas 12 vermieden werden.

In Fig. 3 ist ein vergrößerter Ausschnitt einer erfindungs gemäß ausgebildeten Leitschaufel 1 dargestellt. Bei dieser Leitschaufel 1 ist stromauf jeder Reihe von Kühlbohrungen 10 eine strömungsgünstig ausgebildete, radiale Rippe 15 an der inneren Oberfläche 9 des Außenmantels 3 angeordnet. Der Kühleinsatz 4 ist im Bereich der Kühlbohrungen 10 in Richtung des Außenmantels 3 verformt und dabei zumindest annähernd parallel zum Eintrittswinkel 16 der Kühlluft 7 in die Kühl bohrungen 10 ausgebildet.

Die Rippe 15 ist dabei um das 3fache des Durchmessers 17 der Kühlbohrung 10 von deren Eintrittsmittelpunkt 18 entfernt an geordnet. Bei einem Abstand vom Außenmantel 3 zum Kühlein satz 4, der dem doppelten Durchmesser 17 der Kühlbohrung 10 entspricht, ragt die Rippe 15 einen Durchmesser 17 der Kühl bohrung 10 in den Kühlhohlraum 5 hinein. Im Bereich der Kühl bohrung 10 ist der Kühleinsatz 4 so in Richtung des Außen mantels 3 verformt, daß er den Kühlhohlraum 5 dort bis auf 30% seiner Normalgröße verschließt.

Aufgrund dieser Ausbildung wird die Kühlluft 7 bereits im Kühlhohlraum 5, d. h. im Bereich stromauf der jeweiligen Kühl bohrungen 10 in deren Richtung umgelenkt, womit Rezirkula tionsgebiete in der Kühlbohrung 10 vermieden werden. Dadurch entsteht im Inneren der Kühlbohrungen 10 jeweils ein entge gengesetzt zu den Nierenwirbeln 14 ausgerichtetes Wirbelpaar 19. Das Rotationszentrum dieses sogenannten Innenwirbels 19 befindet sich nicht in der Mitte der Kühlbohrung 10, sondern im unteren Bereich des Kühlluftstrahles (Fig. 4).

Insbesondere die Ausbildung der Rippe 15 führt zu einer we sentlich stärkeren Umlenkung der Kühlluft 7 bei ihrem Ein tritt in die Kühlbohrungen 10. Bisher war hier eine Umlenkung von etwa 30° üblich, während die Kühlluft 7 nunmehr in einem Winkel von bis zu 5° umgelenkt wird. Die verstärkte Umlen kung der Kühlluft 7 und die Verhinderung eines Rezirkula tionsgebietes in den Kühlbohrungen 10 haben einen deutlich stabileren Innenwirbel 19 zur Folge. Damit bleibt dieser In nenwirbel 19 auch beim Austritt aus jeder der Kühlbohrungen 10 erhalten, während der unerwünschte Nierenwirbel 14 im obe ren Bereich des Kühlluftstrahles schnell aufgelöst wird. Der Innenwirbel 19 sorgt nunmehr dafür, daß das Heißgas 12 ge kühlt zur äußeren Oberfläche 8 des Außenmantels 3 der Leit schaufel 1 geführt wird.

Im Kühlhohlraum 5 sind, stromab der Kühlbohrung 10 und in etwa mittig zwischen zwei benachbarten Kühlbohrungen 10, ein Abstandhalter 20 und ein Stift 21 angeordnet. Sowohl der Ab standhalter 20 als auch der Stift 21 sind mit der inneren Oberfläche 9 des Außenmantels 3 verbunden, wobei der Ab standhalter 20 bis zum Kühleinsatz 4 reicht und der Stift 21 kürzer ausgebildet ist. Durch die mittige Anordnung von Ab standhalter 20 und Stift 21 zwischen zwei benachbarten Kühl bohrungen 10 wird auch in diesem, die geringste Kühlwirkung aufweisenden Bereich, d. h. bis ca. fünf Durchmesser 17 stromab des Austrittsmittelpunktes 22 der Kühlbohrung, ein ausreichender Wärmeabfluß vom Außenmantel 3 zur Kühlluft 7 erreicht.

Eine solche Kühlkonfiguration ist natürlich nicht auf die Leitschaufeln 1 von Gasturbinen beschränkt. Sie kann ebenso bei Laufschaufeln, Brennkammerwänden, Wärmestausegmenten von Gasturbinen oder bei anderen, einseitig von Heißgas 12 umge benen Wänden 3 eingesetzt werden.

Bezugszeichenliste

1 Leitschaufel
2 Hohlprofilkörper
3 Wand, Außenmantel
4 Kühleinsatz
5 Kühlhohlraum
6 Schaufelhohlraum
7 Kühlfluid, Kühlluft
8 Oberfläche, äußere
9 Oberfläche, innere
10 Ausnehmung, Kühlbohrung
11 Öffnung
12 Heißgas
13 Austrittswinkel, von 10
14 Wirbelpaar, Nierenwirbel
15 Rippe
16 Eintrittswinkel, von 10
17 Durchmesser, von 10
18 Eintrittsmittelpunkt, von 10
19 Wirbelpaar, Innenwirbel
20 Abstandhalter
21 Stift
22 Austrittsmittelpunkt, von 10

Claims

1. Vorrichtung zur Kühlung einer einseitig von Heißgas um gebenen Wand, insbesondere des Hohlprofilkörpers einer Gasturbinenschaufel, bestehend aus der mit einer äuße ren und einer inneren Oberfläche (8, 9) ausgestatteten Wand (3), einem im wesentlichen parallel zur Wand (3) angeordneten und gemeinsam mit dieser einen Kühlhohlraum (5) bildenden Kühleinsatz (4) sowie einer Reihe oder mehreren, in Strömungsrichtung eines Kühlfluids (7) hin tereinander angeordneten Reihen von zwischen den beiden Oberflächen (8, 9) der Wand (3) ausgebildeten Ausnehmun gen (10), welche jeweils einen den vorgesehenen Einsatz bedingungen entsprechenden Eintritts- bzw. Austrittswin kel (16, 13) und einen Durchmesser (17) aufweisen, da durch gekennzeichnet, daß stromauf jeder Reihe von Aus nehmungen (10) eine radiale Rippe (15) an der inneren Oberfläche (9) der Wand (3) angeordnet, der Kühleinsatz (4) im Bereich der Ausnehmungen (10) in Richtung der Wand (3) verformt und dabei zumindest annähernd parallel zum Eintrittswinkel (16) der Ausnehmungen (10) ausgebil det ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (10) einen Eintrittsmittelpunkt (18) besitzen, von dem die Rippen (15) bis etwa zum 3fachen Durchmesser (17) der jeweiligen Ausnehmungen (10) entfernt angeordnet sind, die Rippen (15) ca. einen halben bis einen Durchmesser (17) der Ausnehmungen (10) in den Kühlhohlraum (5) hineinragen und der Kühleinsatz (4) den Kühlhohlraum (5) im Bereich der Ausnehmungen (10) bis auf maximal 30% des Normalabstandes von Wand (3) und Kühleinsatz (4) verschließt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß stromab der Ausnehmungen (10) jeweils zumin dest ein Abstandhalter (20) und/oder zumindest ein Stift (21) im Kühlhohlraum (5) angeordnet und mit der inneren Oberfläche (9) der Wand (3) verbunden sind, wobei die Abstandhalter (20) bis zum Kühleinsatz (4) reichen und die Stifte (21) davor enden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Abstandhalter (20) als auch die Stifte (21) mittig zwischen zwei Reihen benachbarter Ausnehmun gen (10) angeordnet sind.

5. Verfahren zur Kühlung einer einseitig von Heißgas umge benen Wand, insbesondere des Hohlprofilkörpers einer Gasturbinenschaufel, bei dem ein Kühlfluid (7) zunächst in einen Kühlhohlraum (5) zwischen der zu kühlenden Wand (3) und einem Kühleinsatz (5) geführt und anschließend über zumindest ein Reihe von Ausnehmungen (10) der Wand (3) ausgeblasen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlfluid (7) bereits vor Erreichen der Ausnehmungen (10) in deren Richtung umgelenkt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Kühlfluids (7) an den weiter stromauf an geordneten Ausnehmungen (10) vorbeigeführt, dabei zu nächst beschleunigt sowie gegen die innere Oberfläche (9) der Wand (3) ausgerichtet und erst danach zu den weiter stromab angeordneten Ausnehmungen (10) geleitet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlfluid (7) vor Erreichen der weiter stromab an geordneten Ausnehmungen (10) zunächst an im Kühlhohlraum (5) ausgebildeten Abstandhaltern (20) und/oder Stiften (21) vorbeigeleitet wird.