DE19845147B4

DE19845147B4 - Apparatus and method for cooling a wall surrounded by hot gas on one side

Info

Publication number: DE19845147B4
Application number: DE1998145147
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. Wilfert; Carsten Herrmann
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 1998-10-01
Filing date: 1998-10-01
Publication date: 2006-11-23
Anticipated expiration: 2018-10-02
Also published as: EP0990772A2; EP0990772A3; DE19845147A1

Abstract

Vorrichtung zur Kühlung einer einseitig von Heissgas umgebenen Wand, insbesondere des Hohlprofilkörpers einer Gasturbinenschaufel, bestehend aus der mit einer äusseren und einer inneren Oberfläche (8, 9) ausgestatteten Wand (3), einem im wesentlichen parallel zur Wand (3) angeordneten und gemeinsam mit letzterer einen Kühlhohlraum (5) bildenden Kühleinsatz (4) sowie einer Reihe oder mehreren, in Strömungsrichtung eines Kühlfluids (7) hintereinander angeordneten, Reihen von zwischen den beiden Oberflächen (8, 9) der Wand (3) ausgebildeten Ausnehmungen (10), wobei im Kühlhohlraum (5), stromauf jeder Ausnehmung (10), ein in letztere mündendes Umlenkelement (15) für das Kühlfluid (7) angeordnet und mittels Seitenwänden (16) gegenüber dem Kühlhohlraum (5) abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass jede Ausnehmung (10) eine Mittelachse (17) und jedes Umlenkelement (15) eine Umlenkfläche (18) aufweist, wobei jede Umlenkfläche (18) unmittelbar stromauf der zugehörigen Ausnehmung (10) zumindest annähernd parallel zur Mittelachse (17) dieser Ausnehmung (10) ausgerichtet ist.contraption for cooling a one-sided surrounded by hot gas wall, in particular of the hollow profile body of a Gas turbine blade, consisting of the one with an outer and an inner surface (8, 9) equipped wall (3), one substantially parallel to the wall (3) arranged and together with the latter a cooling cavity (5) forming cooling insert (4) and one or more, in the flow direction of a cooling fluid (7) arranged in series, rows of between the two surfaces (8, 9) of the wall (3) formed recesses (10), wherein in the cooling cavity (5), upstream of each recess (10), one opening into the latter Deflecting element (15) for the cooling fluid (7) and by means of side walls (16) opposite the cooling cavity (5) is completed, characterized in that each recess (10) a central axis (17) and each deflection element (15) has a deflection surface (18) has, wherein each deflection surface (18) immediately upstream of the associated recess (10) at least almost parallel is aligned with the central axis (17) of this recess (10).

Description

Technisches Gebiettechnical area

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kühlung einer einseitig von Heissgas umgebenen Wand, insbesondere des Hohlprofilkörpers einer Gasturbinenschaufel, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to an apparatus and a method for cooling a one side surrounded by hot gas wall, in particular of the hollow profile body of a Gas turbine blade, according to the preamble of the claim 1.

Stand der TechnikState of the art

Zur Steigerung der Leistung und des Wirkungsgrades werden bei den heutigen Gasturbinenanlagen immer höhere Turbineneintrittstemperaturen 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 konvektive Kühlung nicht mehr aus. Abhilfe schafft hier die Filmkühlung, bei der die Turbinenschaufeln durch Kühlfilme vor dem Heissgas geschützt werden. Dazu sind in den Schaufeln entsprechende Ausnehmungen in Form von Bohrungen oder Schlitzen eingebracht, durch welche die Kühlluft ausgeblasen wird.to Increase in performance and efficiency are in today Gas turbine plants ever higher Turbine inlet temperatures used. To the turbine blades in front of the elevated To protect hot gas temperatures, have to this more intense than previously cooled become. Therefore, with correspondingly high turbine inlet temperatures a purely convective cooling not anymore. Remedy here is the film cooling, in which the turbine blades through cooling films protected from the hot gas become. These are in the blades corresponding recesses in Form of holes or slots introduced through which the cooling air is blown out.

Eine solche Kombination von konvektiver Kühlung und Filmkühlung einer mit einem Kühleinsatz versehenen Turbinenschaufel ist bereits aus der EP-A2-258 754 bekannt. Die aus Öffnungen des Kühleinsatzes austretende Kühlluft prallt mit hoher konvektiver Kühleffektivität zunächst auf die innere Oberfläche des Schaufelmantels, und wird danach im Hohlraum zwischen Kühleinsatz sowie Schaufel mantel verteilt. Schliesslich tritt die Kühlluft über Bohrungen im Schaufelmantel auf dessen äussere Oberfläche aus, wobei letztere eine Filmkühlung erfährt.A Such combination of convective cooling and film cooling a with a cooling insert provided turbine blade is already known from EP-A2-258 754. The out of openings of the cooling insert exiting cooling air Bounces first with high convective cooling efficiency the inner surface of the blade shroud, and thereafter in the cavity between the cooling insert as well as shovel coat distributed. Finally, the cooling air passes through holes in the shovel on the outside surface from, the latter being a film cooling experiences.

Für einen optimalen Kühleffekt muss die ausgeblasene Kühlluft möglichst schnell umgelenkt werden und schützend an der Profiloberfläche entlangströmen. Um auch die zwischen den Bohrungen liegenden Gebiete zu schützen, ist zudem eine schnelle seitliche Ausbreitung der Kühlluft erforderlich. In den Mischungsbereichen des Heissgases mit den Kühlluftstrahlen entstehen verschiedenste Wirbel, welche eine entscheidende Bedeutung für die Schutzwirkung einer Kühlkonfiguration besitzen. Beispielsweise wird durch die Krümmung der Kühlluftstrahlen bei deren Austritt aus den Bohrungen ein sogenannter Nierenwirbel, d.h. ein aus einem rechts- und einem linksdrehenden Wirbel bestehendes Wirbelpaar, erzeugt. Dieser Nierenwirbel transportiert jedoch einen Teil des Heissgases zwischen den Bohrungen direkt auf die Profiloberfläche der Turbinenschaufel und damit unter die Kühlluftstrahlen, was sich als gravierender Nachteil erweist.For one optimal cooling effect must the blown cooling air preferably be quickly diverted and protective at the profile surface flow along. To protect the inter-well areas is also In addition, a rapid lateral spread of the cooling air required. In the mixing areas of the hot gas with the cooling air jets arise a variety of vortices, which are of crucial importance for the Protective effect of a cooling configuration have. For example, by the curvature of the cooling air jets at their exit from the bores a so-called kidney vertebra, i. one out of one right-handed and one left-handed vortex existing vortex pair, generated. However, this kidney vertebra transports part of the Hot gases between the holes directly on the profile surface of the Turbine blade and thus under the cooling air jets, what as serious disadvantage.

Es ist bereits bekannt, durch eine entsprechende Gestaltung (Konturierung) der Innengeometrie der Turbinenschaufel die Kühlluft so in die Bohrung umzulenken, dass dort ein Wirbelpaar, mit einem zum Nierenwirbel entgegengesetzten Drehsinn entsteht (G. Wilfert, Dissertationsschrift zum Thema "Experimentelle und numerische Untersuchungen der Mischungsvorgänge zwischen Kühlfilmen und Gitterströmung an einem hochbelasteten Turbinengitter", S.54, S.70–74 und 7.2, München 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. Damit ist es möglich, die Kühleffektivität im Bohrungszwischenraum vorteilhaft und ohne vermehrte Zufuhr von Kühlluft zu steigern.It is already known, by a corresponding design (contouring) of the internal geometry of the turbine blade to redirect the cooling air into the bore, that there is a vortex pair, with a direction opposite to the kidney vertebra direction of rotation (G. Wilfert, thesis on the subject "Experimental and numerical investigations of Mixing processes between cooling films and lattice flow on a highly loaded turbine grid ", p.54, p.70-74 and 7.2 , Munich 1994). Due to such an internal vortex, the kidney vertebra dissipates very quickly and the hot gas is not sucked in laterally under the cooling air jet, but is cooled by the discharge jet to the profile surface. This makes it possible to increase the cooling efficiency in the bore gap advantageous and without increased supply of cooling air.

Ein gravierender Nachteil dieser Lösung ist jedoch die schwache Intensität des Innenwirbels, so dass sich dieser relativ schnell auflöst und nicht dauerhaft zur Ver besserung der Kühleffektivität genutzt werden kann. Gemäss der DE 196 12 840 A1 A1 wurde hierzu bereits eine Verbesserung bekannt. Dazu ist im Kühlhohlraum, stromauf der Kühlbohrung, eine Rippe angeordnet und der Kühleinsatz im Bereich der Kühlbohrungen in Richtung der zu kühlenden Wand verformt. Auf diese Weise kann die Einströmung des Kühlfluids in die Kühlbohrungen und damit die Kühleffektivität verbessert werden.A serious disadvantage of this solution, however, is the weak intensity of the internal vortex, so that it dissolves relatively quickly and can not be permanently used to improve the cooling efficiency. According to the DE 196 12 840 A1 A1 has already been known an improvement. For this purpose, a rib is arranged in the cooling cavity, upstream of the cooling hole, and the cooling insert is deformed in the region of the cooling holes in the direction of the wall to be cooled. In this way, the inflow of the cooling fluid into the cooling holes and thus the cooling efficiency can be improved.

Die DE 4041026 C2 betrifft eine gekühlte Verkleidung für eine ein Heissgas befördernde Passage der Düsenanordnung eines Gasturbinenmotors. Die Verkleidung weist zwei miteinander verbundene Metallflachstücke (Platten) auf, wobei die erste Platte dem Heissgas und die zweite Platte einer Kühlgaszufuhr ausgesetzt ist. In beiden Platten sind miteinander kommunizierende Öffnungen für das Kühlgas angeordnet. Zwischen der Verkleidung und einer im wesentlichen parallel dazu angeordneten Auftreff-Verteilplatte ist eine Kühlkammer ausgebildet. Die zweite Platte liegt nur teilweise an der ersten Platte an, besitzt eine eingeformte Vertiefung und eine im wesentlichen ebene, zur ersten Platte im Winkel von vorzugsweise 10° bis 30 ° ausgebildete stromabseitige Wand, so dass im Raum zwischen den beiden Platten eine die Kühlluft in die Öffnung der ersten Platte leitende Kammer entsteht.The DE 4041026 C2 relates to a cooled lining for a hot gas conveying passage of the nozzle assembly of a gas turbine engine. The cladding has two interconnected metal sheets (plates), the first plate being exposed to the hot gas and the second plate to a cooling gas supply. In both plates mutually communicating openings for the cooling gas are arranged. Between the cladding and an impact distribution plate arranged substantially parallel thereto, a cooling chamber is formed. The second plate is only partially on the first plate, has a molded recess and a substantially flat, the first plate at an angle of preferably 10 ° to 30 ° formed downstream wall, so that in the space between the two plates, a cooling air in the opening of the first plate conducting chamber arises.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Erfindung versucht alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zu grunde, eine Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zur Kühlung einer einseitig von Heissgas umgebenen Wand mit einer weiter verbesserten Kühlwirkung zu schaffen.The The invention seeks to avoid all these disadvantages. You are lying the task is based, a device and a corresponding method for cooling a unilaterally surrounded by hot gas wall with a further improved cooling effect to accomplish.

Bei einer solchen Vorrichtung ist im Kühlhohlraum, stromauf jeder Ausnehmung, ein in letztere mündendes Umlenkelement für das Kühlfluid angeordnet. Das Umlenkelement ist zudem mittels Seitenwänden gegenüber dem Kühlhohlraum abgeschlossen.at such a device is in the cooling cavity, upstream of each Recess, one opening into the latter Deflection element for the cooling fluid arranged. The deflection is also by means of side walls opposite the cooling cavity completed.

Mit dieser die konvektive Kühlung und die Filmkühlung kombinierenden Kühlkonfiguration wird die Einströmung des Kühlfluids in die Ausnehmungen und die Strömung innerhalb der Ausnehmungen deutlich verbessert, so dass es nach der Ausblasung des Kühlfluids in das Heissgas zu einer besseren Verteilung des Kühlfluids auf der zu kühlenden Oberfläche kommt. Dies führt insgesamt zu einem deutlichen Anstieg der Filmkühleffektivität. Dazu wird stromauf jeder Ausnehmung eine Teilströmung des Kühlfluids separiert. Lediglich diese Teilströmungen werden bereits vor Erreichen der zugehörigen Ausnehmungen in deren Richtung umgelenkt. Auf diese Weise kommt es zu einer gerichteten Einleitung des Kühlfluids in die Ausnehmungen, so dass in jeder der Ausnehmungen ein starkes Wirbelpaar mit einem entgegengesetzt zum Nierenwirbel ausgerichteten Drehsinn entsteht. Dieser sogenannte Innenwirbel mischt sich bis zu seinem Austritt aus der Ausnehmung nicht aus und sorgt somit für eine schnelle Auflösung des Nierenwirbels. 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 entscheidende Verbesserung der Filmkühlung erzielt werden.With this the convective cooling and the film cooling combining cooling configuration becomes the inflow of the cooling fluid into the recesses and the flow within the recesses significantly improved, so it after the blowing out of the cooling fluid into the hot gas for a better distribution of the cooling fluid on the to be cooled surface comes. this leads to Overall, a significant increase in film cooling efficiency. To a partial flow of the cooling fluid is separated upstream of each recess. Only these partial flows will be already before reaching the associated Recesses deflected in their direction. That's how it comes it leads to a directed introduction of the cooling fluid into the recesses, so that in each of the recesses a strong vortex pair with one opposite Direction of rotation directed towards the kidney vertebra arises. This so-called Internal vortex mixes until it exits the recess not out and thus ensures for a fast resolution of the kidney. As a result, the hot gas is no longer sideways under the cooling air stream sucked, but cooled by this to the surface of the Wall guided. In this way, a significant improvement in film cooling can be achieved.

Demgegenüber kann das nicht von den Umlenkelementen erfasste Kühlfluid relativ ungestört zwischen den benachbarten Umlenkelementen hindurchströmen. Dabei wirken die einzelnen Umlenkelemente als Kühlrippen, wodurch auch die konvektive Kühlung der Wand im Bereich zwischen den Ausnehmungen verbessert wird. Schlussfolgernd daraus wird nicht nur die Filmkühlung, sondern die gesamte Kühlung der Wand erheblich verbessert. Dadurch kann Kühlluft eingespart und anderweitig verwendet werden.In contrast, can the cooling fluid not covered by the deflecting elements is relatively undisturbed between to flow through the adjacent deflecting elements. The individual act here Deflecting elements as cooling fins, which also provides convective cooling the wall in the area between the recesses is improved. In conclusion not only does this make the film cooling, but the entire cooling the wall significantly improved. As a result, cooling air can be saved and otherwise be used.

Eine derart gekühlte Wand kann nicht nur als Hohlprofilkörper einer Gasturbinenschaufel ausgebildet, sondern vorteilhaft auch als Brennkammerwand oder auch als Wärmestausegment einer Gasturbine verwendet werden.A so cooled Wall can not only be used as a hollow profile body of a gas turbine blade designed, but also advantageous as a combustion chamber wall or as a heat release segment a gas turbine can be used.

Erfindungsgemäss weist jede Ausnehmung eine Mittelachse und jedes Umlenkelement eine Umlenkfläche auf, wobei jede Umlenkfläche unmittelbar stromauf der zugehörigen Ausnehmung zumindest annähernd parallel zur Mittelachse dieser Ausnehmung ausgerichtet ist. Damit kann die Entstehung von Rezirkulationsgebieten in den Ausnehmungen verhindert werden, was zu einer Reduzierung der Strömungsverluste führt.According to the invention each recess has a center axis and each deflection element has a deflection surface, with each deflection surface immediately upstream of the associated Recess at least approximately is aligned parallel to the central axis of this recess. In order to can prevent the formation of recirculation areas in the recesses which leads to a reduction of the flow losses.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Umlenkfläche gekrümmt ausgebildet ist und einen zumindest annähernd stetigen Krümmungsradius aufweist. Mit einer solchen Kühlkonfiguration können die Verluste bei der Einströmung des Kühlfluids in die Ausnehmung weiter verringert werden.Further It is advantageous if the deflection surface is curved and a at least approximately steady radius of curvature having. With such a cooling configuration can the losses at the inflow of the cooling fluid be further reduced in the recess.

Indem die einer Reihe von Ausnehmungen zugeordneten Umlenkelemente über einen wandseitigen Steg zu einem Umlenkeinsatz verbunden sind, können der Montageaufwand und damit die Herstellungskosten einer solchen Kühlvorrichtung verringert werden.By doing the deflection elements associated with a number of recesses via a wall-side bridge are connected to a deflecting insert, the Assembly costs and thus the manufacturing cost of such a cooling device be reduced.

Werden die Umlenkelemente mit der Wand verbunden und liegen zudem am Kühleinsatz an, dienen sie vorteilhaft auch als Abstandhalter zwischen der zu kühlenden Wand und dem Kühleinsatz.Become the deflecting connected to the wall and are also on the cooling insert Advantageously, they also serve as spacers between cooling Wall and the cooler insert.

Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description the drawing

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Gasturbinenleitschaufel dargestellt.In the drawing are two embodiments of the invention shown with reference to a gas turbine guide vane.

Es zeigen:It demonstrate:

1 einen Profilquerschnitt einer Gasturbinenleitschaufel des Standes der Technik; 1 a profile cross section of a gas turbine guide vane of the prior art;

2 eine schematische Darstellung des auf der äusseren Oberfläche des Aussenmantels ausgebildeten Nierenwirbels, in Hauptströmungsrichtung gesehen; 2 a schematic representation of the formed on the outer surface of the outer shell kidney vertebra, seen in the main flow direction;

3 einen vergrösserten Ausschnitt der erfindungsgemäss ausgebildeten Gasturbinenleitschaufel, im Bereich einer der Ausnehmungen der Schaufelwand; 3 an enlarged section of the inventively designed gas turbine guide vane, in the region of one of the recesses of the blade wall;

4 einen Schnitt IV-IV durch den Kühlhohlraum, mit einer Vorderansicht zweier nebeneinander angeordneter Umlenkelemente, gemäss 3; 4 a section IV-IV through the cooling cavity, with a front view of two juxtaposed deflection, according to 3 ;

5 einen Schnitt V-V durch die Ausnehmung der Leitschaufel, im Bereich der Umlenkelemente, entsprechend 3; 5 a section VV through the recess of the guide vane, in the region of the deflection corresponding 3 ;

6 einen Schnitt VI-VI durch die Ausnehmung der Leitschaufel, entsprechend 3; 6 a section VI-VI through the recess of the vane, accordingly 3 ;

7 eine Darstellung gemäss 5, jedoch in einem zweiten Ausführungsbeispiel. 7 a representation according to 5 but in a second embodiment.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt ist die gesamte Gasturbinenanlage mit dem Verdichter und der Gasturbine. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.It's just for understanding the creature shown essential elements. Not shown is the entire gas turbine plant with the compressor and the gas turbine. The flow direction of the working means is indicated by arrows.

Weg zur Ausführung der ErfindungWay to execute the invention

Die Leitschaufel 1 einer Gasturbine besteht aus einem Hohlprofilkörper 2, der eine als Aussenmantel ausgebildete Wand 3, einen im Abstand dazu angeordneten Kühleinsatz 4 und einen zwischen beiden ausgebildeten Kühlhohlraum 5 aufweist. Im Inneren des Kühleinsatzes 4 ist ein Schaufelhohlraum 6 ausgebildet, welcher auf herkömmliche Weise mit dem nicht dargestellten Verdichter der Gasturbinenanlage verbunden ist und von diesem mit als Kühlfluid 7 dienender Kühlluft beaufschlagt wird. Der Aussenmantel 3 besitzt eine äussere und eine innere Oberfläche 8, 9, zwischen denen mehrere Reihen von als Kühlbohrungen ausgebildete Ausnehmungen 10 angeordnet sind. Der Schaufelhohlraum 6 ist über mehrere im Kühleinsatz 4 angeordnete Öffnungen 11 mit dem Kühlhohlraum 5 verbunden (1). Natürlich kann die Leitschaufel 1 auch nur eine einzige Reihe von Kühlbohrungen 10 besitzen.The vane 1 a gas turbine consists of a hollow profile body 2 of a wall formed as an outer shell 3 , a spaced apart cooling insert 4 and a cooling cavity formed between both 5 having. Inside the cooler insert 4 is a vane cavity 6 formed, which is connected in a conventional manner with the compressor of the gas turbine plant, not shown, and of this with as cooling fluid 7 serving cooling air is applied. The outer jacket 3 has an outer and an inner surface 8th . 9 , between which a plurality of rows of recesses formed as cooling holes 10 are arranged. The vane cavity 6 is over several in the cool use 4 arranged openings 11 with the cooling cavity 5 connected ( 1 ). Of course, the vane 1 even a single row of cooling holes 10 have.

Während des Betriebs der Gasturbinenanlage strömt Heissgas 12 aus der nicht dargestellten Brennkammer über die Leitschaufeln 1 und die ebenfalls nicht gezeigten Laufschaufeln der Gasturbine. Daher müssen diese ständig gekühlt wer den. Die Kühlung der Leitschaufeln 1 erfolgt mittels der vom Verdichter herangeführten Kühlluft 7, wobei diese über die Öffnungen 11 des Kühleinsatzes 4 in den Kühlhohlraum 5 eindringt und zunächst die innere Oberfläche 9 des Aussenmantels 3 konvektiv kühlt. Anschliessend wird die Kühlluft 7 durch die Kühlbohrungen 10 in einer Vielzahl von Kühlluftstrahlen auf der äusseren Oberfläche 8 des Aussenmantels 3 ausgeblasen. Die Krümmung dieser Kühlluftstrahlen bei ihrem Austritt in die Hauptströmung des Heissgases 12 erfolgt in einem Austrittswinkel 13 von etwa 30°. Dabei werden im Mischungsbereich Sekundärströmungen 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 (2). Um Schäden an der Leitschaufel 1 zu verhindern, muss jedoch ihr direkter Kontakt mit dem Heissgas 12 vermieden werden.During operation of the gas turbine plant, hot gas flows 12 from the combustion chamber, not shown, via the guide vanes 1 and also not shown blades of the gas turbine. Therefore, they must be constantly cooled who the. The cooling of the vanes 1 takes place by means of the cooling air brought up by the compressor 7 , these over the openings 11 of the cooling insert 4 in the cooling cavity 5 penetrates and first the inner surface 9 of the outer jacket 3 convective cooling. Subsequently, the cooling air 7 through the cooling holes 10 in a variety of cooling air jets on the outer surface 8th of the outer jacket 3 blown out. The curvature of these cooling air jets as they exit into the main flow of hot gas 12 takes place in an exit angle 13 of about 30 °. In this case, secondary flows are generated in the mixing area, which are a vortex pair 14 with a right and a left-handed vortex form. This so-called kidney vertebra 14 transports the hot gas 12 directly on the outer surface 8th the vane 1 ( 2 ). To damage the vane 1 However, their direct contact with the hot gas must be prevented 12 be avoided.

In 3 ist ein vergrösserter Ausschnitt einer erfindungsgemäss ausgebildeten Leitschaufel 1 dargestellt. Bei dieser Leitschaufel 1 ist im Kühlhohlraum 5, stromauf jeder Reihe von Kühlbohrungen 10, ein in letztere mündendes Umlenkelement 15 für das Kühlfluid 7 angeordnet und mittels Seitenwänden 16 gegenüber dem Kühlhohlraum 5 abgeschlossen (4, 5). Jede Kühlbohrung 10 weist eine Mittelachse 17 und jedes Umlenkelement 15 eine Umlenkfläche 18 auf. Dabei ist jede Umlenkfläche 18 unmittelbar stromauf der zugehörigen Kühlbohrung 10 annähernd parallel zur Mittelachse 17 dieser Kühlbohrung 10 ausgerichtet. Die Umlenkfläche 18 ist gekrümmt ausgebildet und besitzt einen annähernd stetigen Krümmungsradius r. Letzterer, bei dem es sich um den Übergangsradius vom Kühleinsatz 4 zur Kühlbohrung 10 handelt, entspricht bei einer im Winkel von 30° ausgebildeten Kühlbohrung 10 etwa dem 15fachen Durchmesser d der zugehörigen Kühlbohrung 10 (3). Bei grösseren Abständen des Kühleinsatzes 4 von der Wand 3 werden die Übergangsradien grösser, bei grösseren Austrittswinkeln 13 jedoch kleiner. Die einer Reihe von Kühlbohrungen 10 zugeordneten Umlenk elemente 15 sind über einen wandseitigen Steg 19 zu einem Umlenkeinsatz 20 verbunden (4, 5, 7).In 3 is an enlarged section of a trained according to the invention vane 1 shown. At this vane 1 is in the cooling cavity 5 , upstream of each row of cooling holes 10 , an opening in the latter deflecting element 15 for the cooling fluid 7 arranged and by means of side walls 16 opposite the cooling cavity 5 completed ( 4 . 5 ). Every cooling hole 10 has a central axis 17 and each deflecting element 15 a deflection surface 18 on. Here is each deflection 18 immediately upstream of the associated cooling hole 10 approximately parallel to the central axis 17 this cooling hole 10 aligned. The deflection surface 18 is curved and has an approximately constant radius of curvature r. The latter, which is the transition radius of the cooling insert 4 to the cooling hole 10 acts, corresponds to a trained at an angle of 30 ° cooling hole 10 about 15 times the diameter d of the associated cooling hole 10 ( 3 ). For larger distances of the cooling insert 4 from the wall 3 the transition radii become larger, with larger exit angles 13 but smaller. The one of a series of cooling holes 10 associated deflection elements 15 are over a wall-side jetty 19 to a deflecting insert 20 connected ( 4 . 5 . 7 ).

Aufgrund dieser Kühlkonfiguration wird stromauf jeder Kühlbohrung 10 eine Teilströmung 21 der Kühlluft 7 separiert, wobei lediglich diese Teilströmungen 21 im Kühlhohlraum 5 in Richtung der zugehörigen Kühlbohrungen 10 umgelenkt und letztlich in diese eingeführt werden (3). Besonders wichtig ist dabei die durch die Seitenwände 16 der Umlenkelemente 15 erfolgende Abschirmung dieser Teilströmungen 21 von einer zwischen den benachbarten Umlenkelementen 15 hindurchströmenden Hauptströmung 22 der Kühlluft 7. Infolge dieser relativ ungestörten und gerichteten Einleitung der Kühlluft 7 in die Kühlbohrungen 10 können die dort andernfalls unweigerlich entstehenden Rezirkulationsgebiete vermieden werden. Dadurch kann sich im Inneren der Kühlbohrungen 10 jeweils ein entgegengesetzt zu den Nierenwirbeln 14 ausgerichtetes Wirbelpaar 23 ausbilden (6). Diese sogenannten Innenwirbel 23 sind deutlich stabiler, als das bisher möglich war. Sie mischen sich daher im Inneren der Kühlbohrungen 10 nicht aus und bleiben somit auch beim Austritt aus den Kühlbohrungen 10 erhalten. Dort sorgen sie schliesslich für eine schnelle Auflösung der unerwünschten Nierenwirbel 14. Dadurch wird das Heissgas 12 gekühlt zur äusseren Oberfläche 8 des Aussenmantels 3 der Leitschaufel 1 geführt, was eine entscheidende Verbesserung der Filmkühlung zur Folge hat.Due to this cooling configuration, upstream of each cooling hole 10 a partial flow 21 the cooling air 7 separated, with only these partial flows 21 in the cooling cavity 5 in the direction of the associated cooling holes 10 be redirected and ultimately introduced into it ( 3 ). Especially important is the through the side walls 16 the deflecting elements 15 Successful shielding of these partial flows 21 from one between the adjacent deflecting elements 15 flowing through mainstream 22 the cooling air 7 , As a result of this relatively undisturbed and directed introduction of the cooling air 7 into the cooling holes 10 If necessary, the recirculation areas, which otherwise would inevitably arise, can be avoided. This can be inside the cooling holes 10 one opposite to the kidney vertebrae 14 aligned vortex pair 23 train ( 6 ). These so-called inner vertebrae 23 are much more stable than previously possible. They mix therefore inside the cooling holes 10 not enough and thus remain at the exit from the cooling holes 10 receive. There, they finally ensure a rapid resolution of the unwanted kidney vertebrae 14 , This will be the hot gas 12 cooled to the outer surface 8th of the outer jacket 3 the vane 1 led, which has a significant improvement in the film cooling result.

Wie in den 3 bis 5 gezeigt, sind die Umlenkelemente 15 massiv gefertigt, mit der Wand 3 verbunden und liegen zudem am Kühleinsatz 4 an. Jedes Umlenkelement 15 bildet somit gleichzeitig einen Abstandhalter zwischen dem Kühleinsatz 4 und der zu kühlenden Wand 3.As in the 3 to 5 shown are the deflecting elements 15 massively made, with the wall 3 connected and are also located on the cooling insert 4 at. Each deflecting element 15 thus simultaneously forms a spacer between the cooling insert 4 and the wall to be cooled 3 ,

In 7 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem aus einem tiefgezogenen Blech gefertigten Umlenkelement 15 bzw. einem entsprechendenIn 7 is a second embodiment of the invention with a deflector made of a deep-drawn sheet metal 15 or a corresponding one

Umlenkeinsatz 20 dargestellt. Die Funktion dieser Lösung ist im wesentlichen analog dem ersten Ausführungsbeispiel.deflection insert 20 shown. The function this solution is essentially analogous to the first embodiment.

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 umgebenen Wänden 3 eingesetzt werden.Of course, such a cooling configuration is not on the vanes 1 limited by gas turbines. It can also be used with moving blades, combustion chamber walls, heat emission segments of gas turbines or others, one-sided by hot gas 12 surrounded walls 3 be used.

11: Leitschaufelvane
22: HohlprofilkörperHollow profile body
33: Wand, AussenmantelWall, sheath
44: Kühleinsatzcooling insert
55: Kühlhohlraumcooling cavity
66: Schaufelhohlraumbucket cavity
77: Kühlfluid, KühlluftCooling fluid, cooling air
88th: Oberfläche, äussereSurface, exterior
99: Oberfläche, innereSurface, inner
1010: Ausnehmung, Kühlbohrungrecess cooling hole
1111: Öffnungopening
1212: Heissgashot gas
1313: Austrittswinkel, von 10 Exit angle, from 10
1414: Wirbelpaar, NierenwirbelVortex pair, kidney vortex
1515: Umlenkelementdeflecting
1616: SeitenwandSide wall
1717: Mittelachsecentral axis
1818: Umlenkflächedeflection
1919: Stegweb
2020: Umlenkeinsatzdeflection insert
2121: Teilströmung, von 7 Partial flow, from 7
2222: Hauptströmung, von 7 Mainstream, from 7
2323: Wirbelpaar, InnenwirbelVortex pair, interior vortex
dd: Durchmesser, von 10 Diameter of 10
rr: Krümmungsradius, von 18 Radius of curvature, from 18

Claims

Device for cooling a wall surrounded on one side by hot gas, in particular of the hollow profile body of a gas turbine blade, consisting of the one having an outer and an inner surface ( 8th . 9 ) equipped wall ( 3 ), one substantially parallel to the wall ( 3 ) and together with the latter a cooling cavity ( 5 ) forming cooling insert ( 4 ) and one or more, in the flow direction of a cooling fluid ( 7 ) arranged one behind the other, rows of between the two surfaces ( 8th . 9 ) the Wall ( 3 ) formed recesses ( 10 ), wherein in the cooling cavity ( 5 ), upstream of each recess ( 10 ), an opening in the latter deflecting element ( 15 ) for the cooling fluid ( 7 ) and by means of side walls ( 16 ) opposite the cooling cavity ( 5 ), characterized in that each recess ( 10 ) a central axis ( 17 ) and each deflecting element ( 15 ) a deflection surface ( 18 ), wherein each deflection surface ( 18 ) immediately upstream of the associated recess ( 10 ) at least approximately parallel to the central axis ( 17 ) of this recess ( 10 ) is aligned.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the deflection surface ( 18 ) is curved and has an at least approximately continuous radius of curvature (r).

Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the one of a series of recesses ( 10 ) associated deflection elements ( 15 ) via a wall-side web ( 19 ) to a deflecting insert ( 20 ) are connected.

Device according to claim 3, characterized in that the deflecting elements ( 15 ) with the wall ( 3 ) and also on the cooling insert ( 4 ) issue.

Method for cooling a wall surrounded on one side by hot gas, in particular of the hollow profile body of a gas turbine blade, with the method steps: a) introducing a cooling fluid ( 7 ) in a cooling cavity ( 5 ) between the wall to be cooled ( 3 ) and a cooling insert ( 4 ), b) subsequent blowing out of the cooling fluid ( 7 ) via at least a number of recesses ( 10 ) the Wall ( 3 ), c) diverting the cooling fluid ( 7 ) in the direction of the recesses ( 10 ) already before reaching the recesses ( 10 ), d) separating a partial flow ( 21 ) of the cooling fluid ( 7 ) upstream of each recess ( 10 ), e) redirecting only the separated partial flows ( 21 ) in the direction of the associated recesses ( 10 ), characterized in that f) the separated partial flows ( 21 ) at least approximately parallel to a central axis ( 17 ) of the recesses ( 10 ) are redirected.