DE19654115A1

DE19654115A1 - Vorrichtung zum Kühlen einer beidseitig umströmten Wand

Info

Publication number: DE19654115A1
Application number: DE19654115A
Authority: DE
Inventors: Kenneth Hall
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1996-12-23
Filing date: 1996-12-23
Publication date: 1998-06-25
Also published as: JPH10196304A; DE59708321D1; CN1186151A; EP0851095A1; EP0851095B1

Description

Technisches Gebiet

Der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen einer Wand, welche an ihrer Außenseite von einem heißen Medium und an ihrer Innenwand von einem Kühlmittel umströmt ist.

Derartige zu kühlende Wände sind beispielsweise die innenge kühlten Schaufeln von Turbomaschinen, besonders jene von axialdurchströmten Gasturbinen.

Stand der Technik

Hohle, innengekühlte Turbinenschaufeln mit Flüssigkeit, Dampf oder Luft als Kühlmittel sind hinlänglich bekannt. Ein Pro blem stellt insbesondere die Kühlung der Hinterkante von solchen Schaufeln dar, die im geschlossenen Kreis vom Kühlmit tel durchströmt sind. Die die Hinterkante bildenden Wandungen umfassen einen Engspalt, aus dem die Wärme abzuführen ist. Hierzu darf der Engspalt in seiner Breite einen minimalen Wert nicht unterschreiten. Um eine Überhitzung der Hinter kante zu vermeiden, darf auch keine großen Materialansammlun gen vorhanden sein. Darüberhinaus darf die Wandstärke aus Festigkeitsgründen ein bestimmtes Maß nicht unterschreiten. Diese Vorgaben führen dazu, daß innengekühlte Schaufeln mit großen Rundungsradien an der Hinterkante versehen sind, was sich ungünstig auf den Schaufelwirkungsgrad auswirkt.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, an einer gekühlten Wand eine Vorrichtung zu schaffen, die die Wärmeableitung insbesondere aus einem Engspalt verbessert.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß in der vom Kühlmittel umströmten Wandung thermische Brücken in Form von hochschmelzenden Stiften mit hoher Wärmeleitfähigkeit ange ordnet sind, welche in den vom Kühlmittel beaufschlagten Raum hineinragen.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem in der Einfach heit der Maßnahme zu sehen. Handelt es sich bei der zu küh lenden Wand um eine gegossene Turbinenschaufel, so können die Stifte zusammen mit der Schaufel vergossen werden. Die Maß nahme erlaubt zudem eine wirkungsgradgünstige Ausbildung der Schaufelhinterkante.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer innengekühlten Gasturbinenschaufel dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaufel im Querschnitt;

Fig. 2 das Detail z aus Fig. 1 mit einer zum Stand der Technik zählenden Hinterkante;

Fig. 3 das Detail z aus Fig. 1 mit einer erfindungsgemäßen Hinterkante;

Fig. 4 einen Längsschnitt durch den Hinterkantenbereich einer Schaufel.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der beteiligten Medien ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die in Fig. 1 dargestellte, gegossene Schaufel weist drei Innenkammern a, b, und c auf, die von einem Kühlmittel, beispielsweise Dampf, senkrecht zur Zeichnungsebene durch strömt sind. Dabei werden die Innenseiten der die Schaufel kontur bildenden Wand W - die außen beidseitig von heißen Gasen umströmt ist - vom Kühlmittel umströmt und geben ihre Wärme an das Kühlmittel ab. Es versteht sich, daß zumindest in den zwei vorderen Kammern a, b zahlreiche nicht gezeigte Hilfsmittel wie Leitrippen, Strömungskanäle, Einsätze für Prallkühlung und dergleichen zur Verbesserung der Wandkühlung vorgesehen sein können. Im Beispielsfall zirkuliert das Kühl mittel im geschlossenen Kreis, worunter verstanden wird, daß weder an der Vorderkante, der Saugseite, der Druckseite noch im Bereich der Hinterkante ein Ausblasen von Kühlmittel in den Strömungskanal erfolgt.

Hieraus ergibt sich die Problematik mit der Hinterkantengeo metrie, welche anhand der Fig. 2 erläutert ist. Der von den Wänden gebildete Endspalt E muß eine minimale Größe haben, um genügend Kühlmittel zur Abfuhr der anfallenden Wärme aufnehmen zu können. Die innere Kantenabrundung ist deshalb mit dem Durchmesser d auszubilden. Aus Festigkeitsgründen kann eine minimale Wandstärke T nicht unterschritten werden. Um eine Überhitzung der Hinterkante zu vermeiden, darf es dort zu keiner großen Materialansammlung kommen. Das Maß L_a entspricht demnach in der Regel der Wandstärke T. All dies führt dazu, daß die äußere Kantenabrundung mit einem rela tiv großen Durchmesser D_a auszuführen ist. Soweit sind gekühlte Hinterkanten bekannt.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Gemäß Fig. 3 werden zur besseren Wärmeabfuhr in der vom Kühlmittel umströmten Wandung thermische Brücken in Form von Stiften S angeordnet. Diese Stifte sind so angebracht, daß sie in den vom Kühlmittel beaufschlagten Raum, d. h. in den Engspalt E hineinragen.

Aus Herstellungsgründen handelt es sich bei den thermischen Brücken um hochschmelzendes Material. Da solche innengekühl ten Schaufeln in der Regel gegossen sind, bietet es sich an, die Stifte vorab in den Gießkernen anzuordnen und sie mit der Schaufel integral zu vergießen. Dies hat den Vorteil, daß in diesem Bereich auf die üblichen Distanzstücke in Form von Quarz- oder Aluminidstreben verzichtet werden kann.

Aus der Fig. 3 ist ersichtlich, daß - bei gleichbleibender Wandstärke T und gleichbleibender innerer Kantenabrundung d - auf diese Weise eine größere Materialansammlung mit dem Maß L_n an der Hinterkante ermöglicht wird. Dies erlaubt wiederum die Ausbildung einer wesentlich schärferen Hinterkante, was sich durch den kleineren Durchmesser D_n der Kantenabrundung auszeichnet.

Um die gewünschte Wärmeabfuhr zu gewährleisten, sind Stifte mit hoher Wärmeleitfähigkeit zu wählen. Hierzu bietet sich als geeignetes Material synthetischer Diamant an. Als ganz besonders vorteilhaft hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit hat sich ein synthetischer Diamant aus C-14 Isotopen gezeigt.

Im Beispielsfall sind die Stifte S zylindrisch ausgeführt. Es versteht sich, daß auch andere Geometrien, die größere Aus tauschflächen aufweisen, möglich sind, beispielsweise Stifte, die im Querschnitt eine Vieleckform aufweisen oder gezahnt sind.

Bei gegebenen Bedingungen - d. h. Geometrie und Wandstärke der Hinterkante; Geometrie des vom Kühlmittel zu durchströmenden Engspaltes E; Wärmebelastung der Schaufelhinterkante; Art, Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels - sind die Wärmeleitfähigkeit des gewählten Stiftmaterials sowie die in den durchströmten Engspalt hineinragenden Aus tauschflächen maßgebend für die Anzahl der zu verwendenden Stifte über der Schaufelhöhe.

Gemäß Fig. 4 ist in einem Längsschnitt durch die hintere Kammer c eine solche gestaffelte regelmäßige Anordnung von Stiften in der Radialen über der Schaufelhöhe gezeigt. Je nach Wärmebelastung über der Schaufelhöhe kann selbstver ständlich auch eine ungleiche Teilung zur Anwendung gelangen oder bei gleicher Teilung können Stifte mit unterschiedlichen Wärmetauschflächen vorgesehen werden.

Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Beispiel beschränkt ist. In Abweichung zur gezeigten Hinterkantenkühlung könnten selbstverständlich auch andere Schaufelpartien auf die neue Art gekühlt werden und zwar überall dort, wo sich Probleme mit großen Materialan sammlungen stellen, von denen Wärme abzuführen ist, z. B. im Bereich der Schaufelfüße oder der Schaufelspitzen. Im übri gen ist die Erfindung keineswegs auf Schaufeln oder Engspalte beschränkt, sondern kann bei allen umströmten und zu kühlen den Elementen angewendet werden.

Bezugszeichenliste

a, b, c Innenkammern der Schaufel
W zu kühlende Wand
E Engspalt
L Länge der Materialansammlung
T Wandstärke
d innere Kantenabrundung
D äußere Kantenabrundung
S Kühlstift

Claims

1. Vorrichtung zum Kühlen einer Wand (W), welche an ihrer Außenseite von einem heißen Medium und an ihrer Innenwand von einem Kühlmittel umströmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der vom Kühlmittel umströmten Wandung thermische Brücken in Form von hoch schmelzenden Stiften (S) mit hoher Wärmeleitfähigkeit angeordnet sind, welche in den vom Kühlmittel beauf schlagten Raum (E) hineinragen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte (S) aus synthetischem Diamant aus C-14- Isotopen bestehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte (S) mit der Wand (W) zusammen vergossen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Kühlmittel beaufschlagte Raum ein geschlos sener Engspalt (E) ist, der zumindest teilweise von der zu kühlenden Wand (W) selbst gebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Engspalt (E) von der Hinterkante einer innenge kühlten Turbomaschinenschaufel gebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Engspalt (E) sich zumindest annähernd über die ganze Höhe der Turbomaschinenschaufel erstreckt und daß eine Mehrzahl von Stiften über der Höhe verteilt ange ordnet ist.