DE19856199A1 - Kühlung in Gasturbinen - Google Patents
Kühlung in GasturbinenInfo
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Abstract
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und die erfindungsgemäßen Verfahren dienen der effizienten und zuverlässigen Kühlung von Bauteilen 210, insbesondere von Turbomaschinen, auch im Falle einer lokalen Erhöhung des statischen Drucks 234 eines heißen Fluids, das das Bauteil überströmt. Um eine ausreichende Kühlung der Bauteile 210 zu gewährleisten, ist erfindungsgemäß der Abstand der Kühlbohrungen 240 untereinander jeweils so gewählt, daß die Kühlbohrungen 240 in dem Bereich erhöhten statischen Druckes 234 des heißen Fluids einen kleineren Abstand zueinander aufweisen als in den Bereichen niedrigeren statischen Druckes. Eine typische Ausführung der Erfindung ist in Figur 3 dargestellt.
Description
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Kühlung von Bauteilen in
Turbomaschinen, insbesondere in Gasturbinen.
Die heutzutage in Turbomaschinen, insbesondere in Gasturbinen, üblichen Wir
kungsgrade bedingen sehr hohe Prozeßtemperaturen. Insbesondere im Bereich
der Brennkammer und des Turbineneintritts einer Gasturbine liegen die Tempe
raturen oftmals deutlich über den maximal zulässigen Materialtemperaturen der
Bauteile der Gasturbine. Um eine Schädigung der Bauteile infolge Übertemperatur
zu vermeiden, ist es somit häufig erforderlich, diese Bauteile zu kühlen. In Gastur
binen wird zu diesem Zweck in der Regel Fluid, zumeist Luft, aus dem Verdichter
entnommen und den zu kühlenden Bauteilen zugeführt. Das dem Verdichter ent
nommene Fluid weist hierbei eine deutlich niedrigere Temperatur auf, als das
durch die Brennkammer oder die Turbine strömende heiße Fluid. In einem Verfah
ren zur Kühlung von Bauteilen mittels eines Kühfluides, der sogenannten Film
kühlung, wird das Kühlfluid aus Kühlbohrungen auf die Bauteiloberfläche und so
mit in die Strömung des heißen Fluides ausgeblasen. Aufgrund der Verdrän
gungswirkung des Kühlfluids bildet sich eine Trennschicht in Form eines Fluidfilms
zwischen dem heißen Fluid und dem Bauteil aus. Infolgedessen wird die Wärme
nicht mehr unmittelbar von dem heißen Fluid in das Bauteil übertragen. Die
Trennschicht besteht hierbei nicht nur aus dem ausgeblasenen Kühlfluid, sondern
es erfolgt insbesondere bedingt durch Wirbelsysteme auch eine Beimischung und
Durchmischung von heißem Fluid in die Trennschicht. Dies wiederum führt zu ei
ner Erhöhung der mittleren Temperatur des Fluides der Trennschicht, wodurch
sich letztlich die Kühlwirkung verschlechtert.
Ferner ist es insbesondere bei Bauteilspalten oftmals üblich, diese Bauteilspalte
mittels eines kontinuierlich aus dem Bauteilspalt ausströmenden Kühlfluides ge
genüber dem den Bauteilspalt überströmenden, heißen Fluid abzudichten. Gleich
zeitig werden hierbei die an den Bauteilspalt angrenzenden Bauteile gekühlt.
Bauteilspalte treten in einer Turbomaschine beispielsweise zwischen ruhenden
und rotierenden Bauteilen auf. Ebenso sind Bauteilspalte aber auch zur Berück
sichtigung von im Betrieb auftretenden, thermisch bedingten Längenänderungen
der Bauteile vorgesehen. Letzteres ist beispielsweise zumeist zwischen der
Brennkammer und dem Turbineneintrittsleitrad der Fall.
Sowohl im Falle der beschriebenen Filmkühlung als auch im Falle der Abdichtung
eines Bauteilspaltes mittels eines aus dem Bauteilspalt ausströmenden Kühl
fluidstroms ist eine zuverlässige Funktionsweise nur bei einem hinreichenden
Druckunterschied zwischen dem Kühlfluid und dem heißen Fluid gewährleistet. Da
das Kühlfluid in Turbomaschinen einerseits zumeist dem Verdichter entnommen
wird, andererseits aber in der Brennkammer nur geringe Druckverluste der Strö
mung des heißen Fluides auftreten, liegen oftmals insbesondere im Turbinenein
trittsbereich nur sehr geringe Druckunterschiede zwischen dem Kühlfluid und dem
heißen Fluid vor. Kommt es ferner beispielsweise vor den Statoren des Turbinen
eintrittsleitrades lokal zu einer Erhöhung des statischen Druckes, so reicht der
Druckunterschied des Kühlfluides gegenüber dem heißen Fluid nicht mehr aus,
um ein vollständiges Abdichten des Bauteilspaltes gegenüber dem heißen Fluid
oder auch die Ausbildung eines geschlossenen Kühlfluidfilms auf der Oberfläche
eines Bauteils sicherzustellen. Infolgedessen kommt es zu einem lokalen Eindrin
gen von heißem Fluid in den Bauteilspalt oder in den Kühlfluidfilm. Hierdurch kann
es zu einer lokalen Überhitzung der angrenzenden Bauteile kommen.
Zum Zwecke der Kühlung der Bereiche der Turbineneintrittsleitschaufeln sind in
der US-Patentschrift 4 739 621 unmittelbar stromauf der Turbineneintrittsleit
schaufeln spezielle Kühlfluidzuführungen mit länglichen Querschnitten angeord
net. Die konstruktive Ausführung ist aber aufgrund der Teilevielfalt und der kompli
zierten Geometrie äußerst aufwendig.
In der Patentschrift EP 0 615 055 wird vorgeschlagen, die Kühlbohrungen strom
auf der Turbineneintrittsleitschaufeln einer Gasturbine in den Bereichen vor den
Leitschaufeln mit einem größeren Querschnitt auszuführen. Die Mittelpunkte der
Kühlbohrungen sind hierbei in gleichen Abständen zueinander angeordnet. Infolge
der Ausführung der Kühlbohrungen mit unterschiedlichen Querschnitten tritt je
weils in den Bereichen vor den Turbineneintrittsleiträdern ein größerer Kühlfluid
massenstrom aus den Kühlbohrungen in die Strömung des heißen Fluides aus,
wodurch sich eine gleichmäßige Kühlwirkung am Umfang des Turbineneintrittsleit
rades erzielen läßt. Als Nachteil ist die sehr aufwendige und somit teure Fertigung
der Kühlbohrungen mit unterschiedlichen Querschnitten zu nennen. Infolge der
Variation der Querschnitte ergibt sich überdies eine Verschlechterung der Kühl
effektivität bei einem von einem strömungstechnisch optimalen Querschnitt abwei
chenden Querschnitt der Kühlbohrungen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfah
ren vorzusehen, um ein oder mehrere Bauteile einer Turbomaschine auch im Falle
einer lokalen Veränderung des statischen Druckes des heißen Fluides effizient
und zuverlässig zu kühlen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zum Zwecke der Zu
führung eines Kühlfluides in dem Bauteil Kühlbohrungen angeordnet sind, die un
tereinander gleiche Querschnitte aufweisen und mit unterschiedlichen Abständen
zueinander angeordnet sind. Das Bauteil wird hierbei von dem heißen Fluid über
strömt. Eine lokale Erhöhung des statischen Druckes ergibt sich beispielsweise als
Folge eines lokalen Aufstaus der Strömung vor den Schaufeln der Turbomaschi
ne. Die Anordnung von Kühlbohrungen mit untereinander gleichen Querschnitten
läßt sich fertigungstechnisch einfach und kostengünstig realisieren. Die Quer
schnitte der Bohrungen sind hierbei vorteilhaft so zu wählen, daß bei möglichst
geringen Verlusten eine maximale Kühleffektivität erzielt wird. Ferner wurde ge
funden, daß über die Variation des Abstandes der Kühlbohrungen zueinander der
lokal eingebrachte Kühlfluidmassenstrom vorteilhaft dem lokalen Bedarf angepaßt
werden kann. Es stellte sich heraus, daß durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
eine sehr effiziente und zuverlässige Kühlung des Bauteils ermöglicht wird.
Aus kühlungstechnischen Gründen sind in der Regel kleinstmögliche Querschnitte
bzw. Durchmesser der Kühlbohrungen erwünscht. Einerseits läßt sich hierdurch
die Kühleffektivität optimieren und andererseits darüber hinaus der Kühlluftver
brauch begrenzen. Normalerweise ist jedoch aufgrund der Betriebsbedingungen
ein minimaler Querschnitt bzw. Durchmesser der Kühlbohrungen erforderlich, so
daß die Kühlbohrungen auch aufgrund von in der Kühlluft enthaltenem Schmutz
oder Partikeln nicht verstopfen. Es stellte sich heraus, daß ein wesentlicher Vorteil
der Erfindung darin liegt, daß durch die geschickte Verteilung der Kühlbohrungen
mit gleichen und kühlungstechnisch optimierten Querschnitten und/oder Durch
messern eine deutlich verbesserte Kühlung der Bauteile mit einer größeren Kühl
effektivität des Kühlfluides erzielt wird.
Die Ausführung der Kühlbohrungen mit gleichen Querschnitten und/oder gleichen
Durchmessern bezieht sich natürlich auf gleiche Querschnitte und/oder gleiche
Durchmesser der Kühlbohrungen innerhalb der üblichen Herstellungs- bzw. Ferti
gungstoleranzen. Ebenso sind anderweitige vergleichende Aussagen bezüglich
geometrischer Abmessungen immer unter dem Aspekt üblicher Herstellungs- bzw.
Fertigungstoleranzen zu bewerten.
Vorteilhaft sind die Abstände der Kühlbohrungen so gewählt und die Kühlbohrun
gen so angeordnet, daß sie in einem Bereich erhöhten statischen Druckes der
Fluidströmung zueinander kleinere Abstände aufweisen als in dem Bereich niedri
geren statischen Druckes der Fluidströmung. Als Folge einer solchen Anordnung
der Kühlbohrungen resultiert hieraus somit im Bereich erhöhten statischen Druc
kes ein größerer Kühlfluidmassenstrom. Dies führt dazu, daß sich in diesem Be
reich auf der Oberseite des Bauteils ein dickerer Kühlfluidfilm ausbildet. Es wurde
gefunden, daß im Falle eines lokal erhöhten statischen Druckes des heißen Flui
des ein dickerer Kühlfluidfilm auf der Bauteiloberseite besonders vorteilhaft ist.
Dies ist darin begründet, daß das heiße Fluid bei einem höheren statischen Druck
verstärkt in den Kühlfluidfilm eindringt oder sich mit diesem vermischt, wodurch die
Kühlwirkung des Kühlfluidfilms vermindert wird. Ferner wurde gefunden, daß sich
als Folge von Druckunterschieden, wie sie im Falle eines lokal erhöhten Druckes
vorliegen, oftmals Wirbelsysteme ausbilden. Infolge dieser Wirbelsysteme wird
wiederum die Kühlwirkung des Kühlfluidfilms insbesondere in den Bereichen er
höhten statischen Druckes beeinträchtigt. Als Beispiel für eine derartige Wirbelbil
dung sei hier exemplarisch auf die Strömungsverhältnisse bei der Umströmung
einer Schaufel insbesondere im Naben- oder Gehäusebereich verwiesen. Infolge
des lokalen Aufstaus der Strömung vor der Schaufel kommt es hier zu einer loka
len Erhöhung des statischen Druckes. Insbesondere in den Eckenbereichen der
Schaufel zur Nabe und zum Gehäuse hin bilden sich hierdurch verursacht Wirbel
systeme, wie beispielsweise der Hufeisenwirbel oder der Eckenwirbel, aus.
Der Abstand der Kühlbohrungen ist hierbei zweckmäßig in Abhängigkeit der Quer
schnitte der Kühlbohrungen und des jeweils erforderlichen Kühlfluidmassenstroms
zu wählen. Der Kühlfluidmassenstrom wiederum ist abhängig von dem Druck des
heißen Fluides im Verhältnis zu dem Druck des Kühlfluides, aber auch von den
Temperaturen des heißen Fluides und des Kühlfluides einerseits und der ge
wünschten Materialtemperatur andererseits.
Zweckmäßig ist die Anordnung der Kühlbohrungen in dem Bauteil so gewählt, daß
die Kühlbohrungen zueinander in einer Reihe angeordnet sind. Die Kühlbohrun
gen werden in einer Turbomaschine vorteilhaft über den gesamten Umfang der
Turbomaschine verteilt. Einerseits wird durch eine solche Anordnung in Reihe der
Fertigungsaufwand deutlich reduziert. Andererseits bildet sich hierdurch ein mög
lichst zusammenhängender Kühlfluidfilm aus, der eine flächige Kühlung des Bau
teils bewirkt.
Vorteilhaft sind die Kühlbohrungen mit runden oder elliptischen Querschnitten
ausgeführt. Runde oder elliptische Querschnitte lassen sich fertigungstechnisch in
einfacher Weise und somit kostengünstig realisieren.
Das Bauteil ist oftmals zweckmäßig als Plattform ausgeführt. Ebenso kann das
Bauteil aber auch als ein geschlossener Kreisring oder als ein Teilkreisring aus
geführt sein.
Im Falle der Ausführung des Bauteils als Plattform sind die Kühlbohrungen vorteil
haft in der Plattform angeordnet. Am Umfang aneinandergereihte Plattformen die
nen in Turbomaschinen oftmals als Seitenwände des Strömungskanals. Auf der
artigen Plattformen sind häufig die Schaufeln der Turbomaschine angeordnet.
Statorschaufeln sind zumeist mit am Schaufelfuß und an der Schaufelspitze ange
ordneten Plattformen ausgeführt, wohingegen Rotorschaufeln diese Plattformen
oftmals nur am Schaufelfuß aufweisen. Hierbei befinden sich die Kühlbohrungen
erfindungsgemäß zweckmäßig stromauf der Schaufeln entweder auf der mit der
Schaufel verbundenen Plattform oder auf einer stromauf angeordneten Plattform
oder einem anderweitigen stromauf angeordneten Bauteil. Insbesondere bei Sta
torschaufeln kommt es aufgrund der stationären Strömungsverhältnisse und infol
ge der lokalen Staupunktströmung zu einem lokalen und zeitlich konstanten An
stieg des statischen Druckes vor den einzelnen Schaufeln. Im Falle von Rotor
schaufeln ändert sich der Ort des erhöhten statischen Druckes entsprechend der
Rotorumdrehung, so daß sich ein zeitlich veränderliches statisches Druckprofil vor
der Schaufelreihe ausbildet.
Oftmals verbleibt bei einer Aneinanderreihung zweier Bauteile zwischen diesen
Bauteilen ein Spalt. Bildet sich nun in einem Bereich lokal erhöhten statischen
Druckes der Strömung des heißen Fluides ein höherer statischer Druck des heis
sen Fluides im Vergleich zu dem Druck eines in dem Spalt anliegenden Dichtflui
des aus, so kann es zu einem Einströmen von heißem Fluid in den Spalt kommen.
Erfindungsgemäß sind die Kühlbohrungen vorteilhaft stromauf des Spaltes in dem
stromauf angeordneten Bauteil vorgesehen. Hierdurch kommt es bereits stromauf
des Spaltes zur Ausbildung des Kühlfluidfilms, so daß der Spalt von dem Kühl
fluidfilm überdeckt wird. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, den Kühlfluidfilm in dem
Bereich erhöhten statischen Druckes des heißen Fluides lokal zu intensivieren,
beispielsweise lokal aufzudicken. Kommt es infolge der Druckverhältnisse nun zu
einem lokalen Eindringen von Fluid in den Spalt, so dringt im Falle eines bei
spielsweise durch lokale Aufdickung intensivierten Kühlfluidfilms nur Fluid aus
dem Kühlfluidfilm in den Spalt ein. Das Fluid des Kühlfluidfilms weist hierbei infol
ge der in der Regel geringen Vermischung des intensivierten Kühlfluidfilms mit
dem heißen Fluid eine deutlich niedrigere Temperatur im Vergleich zur Tempera
tur des heißen Fluides auf. Infolgedessen ergibt sich für die an den Spalt angren
zenden Bauteile eine deutlich verminderte Temperaturbelastung und somit im
Vergleich zu einer Anordnung herkömmlicher Art eine Kühlung der Bauteile.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung können die Kühlbohrungen
aber auch stromab des Spaltes angeordnet sein, wobei dann in Abhängigkeit der
Ausblaserichtung des Kühlfluides und der Entfernung der Kühlbohrungen zum
Spalt eine geringere Kühlwirkung des Spaltes erzielt wird. Vornehmlich wird hier
durch eine Kühlung der stromab der Kühlbohrungen angeordneten Bauteile erzielt.
Die erfindungsgemäße Anordnung von Kühlbohrungen kann ferner auch vorteil
haft zur Kühlung von Brennkammerseitenwänden oder sonstigen Hitzeschilden
aber auch zur Kühlung einer oder mehrerer Schaufeln eingesetzt werden.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Er
findung ist hierbei aber nicht nur auf die dargestellten Ausführungsbeispiele be
schränkt, sondern kann über die Ausführungsbeispiele hinaus ebenso auch in an
derer Weise verwirklicht werden.
Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Plattform, auf der eine Schaufel
angeordnet ist, mit dem sich vor der Schaufel ausbildenden Druck
profil.
Fig. 2 die Verteilung des statischen Druckes in einer Schaufelteilung.
Fig. 3 die erfindungsgemäße Anordnung der Kühlbohrungen stromauf einer
Schaufel.
In Fig. 1 ist eine Plattform 10 mit einer auf der Plattform 10 angeordneten
Schaufel 11 dargestellt. An den Seitenrändern der Plattform 10 sind in der Dar
stellung weitere Plattformen 10' angedeutet, die an die Plattform 10 angrenzen.
Die Darstellung entspricht somit einer Anordnung von Plattformen, wie sie typi
scherweise am Umfang einer Turbomaschine zum Einsatz kommt. Je nachdem ob
die Plattformen mit den Schaufeln relativ zum Gehäuse der Turbomaschine ru
hend oder bewegt angeordnet sind, handelt es sich bei der Darstellung um einen
Ausschnitt eines Stators oder eines Rotors. Die hier beschriebene Erfindung
kommt bevorzugt im Heißgasteil einer Turbomaschine zur Anwendung, so daß die
in Fig. 1 dargestellte Anordnung einem Ausschnitt einer Turbine der Turboma
schine entspricht. Die Anströmung 20 der Schaufel 11 erfolgt in der Darstellung
entsprechend der Pfeilrichtung aus der linken unteren Ecke der Figur. Das an
strömende Fluid ist hier heißes Gas, das beispielsweise beim Durchgang durch
eine vorangestellte Brennkammer auf eine über der Materialtemperatur der Bau
teile liegende Temperatur aufgeheizt wurde. Aufgrund der Profildicke der Schaufel
11 kommt es zu einer Verdrängung des anströmenden Fluides. Hierbei bildet sich
vor der Schaufel 11 ein Bereich aus, in dem die Geschwindigkeit des anströmen
den Fluides vermindert ist. Am Staupunkt der Schaufel 11 ist die Geschwindigkeit
sogar auf Null reduziert. Infolge der Geschwindigkeitsverminderung des anströ
menden Fluides kommt es zu einem lokalen Anstieg des statischen Druckes bei
einem gleichzeitig nahezu konstanten Totaldruck der Anströmung. Wie in Fig. 1
dargestellt bildet sich somit in der Strömung 20 des heißen Fluides vor der
Schaufel 11 ein Profil in der Verteilung des statischen Drucks 30 aus. Das Maxi
mum 31 des statischen Drucks liegt entlang des Staupunktstromfadens 32. Wei
terhin in der Darstellung eingetragen ist der mittlere statische Druck 33 des an
strömenden Fluides vor der Schaufel 11. Befindet sich vor der Plattform ein Bau
teilspalt 15, der mittels eines aus dem Bauteilspalt 15 ausgeblasenen Dichtfluides
25 abgedichtet werden soll, so kann es im Falle eines ungenügenden Druckes des
ausgeblasenen Dichtfluides 25 zu einem Einströmen 21 von heißem Fluid in den
Spalt kommen. Die Dichtwirkung des aus dem Spalt ausgeblasenen Dichtfluides
25 ist hierbei unmittelbar von den lokalen Druckverhältnissen abhängig. Zusätzlich
zur Dichtwirkung dient das Dichtfluid gleichzeitig oftmals zur Kühlung der an. den
Strömungspfad angrenzenden Bauteile. Da in Turbomaschinen das Dichtfluid zu
meist aus dem Verdichterbereich entnommen wird, um es beispielsweise der Tur
bine zuzuführen, liegt oftmals insbesondere im Turbineneintrittsbereich unmittelbar
am Austritt der Brennkammer ein nur sehr geringer Druckunterschied des Dicht
fluides gegenüber dem heißen Fluid vor. In einem solchen Fall kann die lokale Er
höhung des statischen Druckes des heißen Fluides infolge des Strömungsauf
staus vor der Schaufel dazu führen, daß der statische Druck des heißen Fluides
lokal über dem Druck des Dichtfluids 25 zu liegen kommt, wodurch ein Einströmen
des heißen Fluides in den Spalt verursacht wird. Neben einer unmittelbaren Erhö
hung der Temperatur der an den Bauteilspalt angrenzenden Bauteile, die sich in
folge des Wärmeübergangs des heißen Fluides auf die Seitenwände des Spaltes
einstellt, tritt infolge dieser Wirbelströmung eine verstärkte Durchmischung der
Grenzschichten oder Kühlfluidschichten auf der Plattformoberseite mit dem heißen
Gas auf. Infolge dessen wird auch die Plattform stromab des Spaltes mit einer hö
heren Temperatur beaufschlagt.
Fig. 2 zeigt den Verlauf des statischen Druckes 130 des heißen Fluides über
eine Teilung einer betrachteten Schaufelreihe auf der Höhe der Vorderkante der
Plattform. Der statische Druck weist in der hier gezeigten Darstellung einen nähe
rungsweise sinusförmigen Verlauf auf mit einem Maximum 131 des statischen
Druckes, der sich als Rückwirkung des Staupunktes der Strömung an der Schau
felvorderkante ausprägt. Darüber hinaus ist in der Darstellung der Druck 135 eines
aus dem Bauteilspalt zur Abdichtung des Bauteilspaltes ausgeblasenen Fluides
eingetragen. Aus dieser Auftragung ist ersichtlich, daß der statische Druck des
heißen Fluides in dem Bereich um das Maximum 131 im Verlauf des statischen
Druckes deutlich über dem Druck 135 des im Bauteilspalt anliegenden Fluides in
dem Bauteilspalt zu liegen kommt. In diesem Bereich 134 besteht somit eine sehr
große Gefahr, daß das heiße Fluid in den Bauteilspalt einströmt.
Um auch im Falle einer lokalen Erhöhung des Druckes des heißen Fluides eine
zuverlässige und effiziente Kühlung der betroffenen Bauteile sicherzustellen, wur
den in Fig. 3 Kühlbohrungen 240 stromauf einer Schaufel 211 angeordnet. Diese
Kühlbohrungen 240 sind hier jeweils mit einem runden Querschnitt ausgeführt,
wobei alle Kühlbohrungen 240 eine gleich große Querschnittsfläche aufweisen.
Ferner erfolgt die Anordnung der Kühlbohrungen 240 in der dargestellten Ausfüh
rung zueinander in einer Reihe. In einem Meridianschnitt sind die Kühlbohrungen
in der Regel unter einem solchen Winkel geneigt, daß das Kühlfluid nahezu wand
parallel bzw. parallel zur Strömung des heißen Fluides aus den Kühlbohrungen
ausströmt.
Die in Fig. 3 mit einem Pfeil gekennzeichnete Strömung 220 des heißen Fluides
staut sich lokal vor der Schaufel 211 auf. Hierdurch kommt es zu einem Anstieg
des statischen Druckes in einem Bereich um die Schaufelvorderkante 212 der
Schaufel 211. Dieser Anstieg des statischen Druckes zeigt sich in den als Höhen
linien 236 eingezeichneten Isobaren der Strömung. Dieser lokale Anstieg des sta
tischen Druckes in dem Bereich der Schaufelvorderkante 212 der Schaufel 211
führt zu einer Verminderung der Kühleffektivität eines zur Kühlung der Bauteile
aufgebrachten Kühlfluidfilms im Falle einer herkömmlichen Anordnung der Kühl
bohrungen 240. Als Ursache hierfür ist die bereits oben erwähnte Wirbelbildung
als auch eine generell sich infolge des Druckgefälles ausbildende Ausweichströ
mung von dem höheren zu dem niedrigeren statischen Druck zu nennen. Diese
Ausweichströmung bildet sich in gleichem Maße auch in dem Kühlfluidfilm aus.
Oftmals tritt zusätzlich zu der in Fig. 3 gezeigten Anordnung in einem geringen
Abstand stromauf der Schaufel ein Bauteilspalt zwischen beispielsweise zwei in
Strömungsrichtung aneinandergereihten Plattformen auf. Zur Abdichtung eines
solchen Bauteilspalts liegt oftmals in dem Bauteilspalt ein Fluid an, das häufig ei
nen nur geringfügig höheren Druck als den mittleren statischen Druck der Strö
mung des heißen Fluides aufweist. Infolgedessen kann es aufgrund der lokalen
Erhöhung des statischen Druckes des heißen Fluides lokal zu einem Einströmen
von heißem Fluid in den Bauteilspalt kommen.
Bei einem kleineren Abstand der Kühlbohrungen 240 in dem Bereich höheren sta
tischen Druckes steigt der in diesem Bereich der Plattform 210 ausgeblasene, auf
die Plattformoberfläche bezogene Kühlfluidmassenstrom. Hieraus resultiert eine
Aufdickung des als Trennschicht wirkenden Kühlfilms zwischen dem heißen Fluid
und der Plattform 210. Somit ist auch im Falle verstärkter Wirbelbildung oder auch
im Falle eines Bauteilspaltes eine zuverlässige Kühlung der Plattform 210 ge
währleistet.
10
,
10
',
210
Bauteil, Plattform
11
,
211
Schaufel
212
Schaufelvorderkante
15
Bauteilspalt
20
,
220
Strömung des heißen Fluids
21
in den Bauteilspalt eindringendes, heißes Fluid
25
Dichtfluid
30
,
130
Verlauf des statischen Drucks
31
,
131
Maximum im Verlauf des statischen Drucks
32
Staupunktstromfaden
33
mittlerer statischer Druck
134
,
234
Bereich erhöhten statischen Druckes
135
Druck eines Fluides in dem stromauf gelegenen
Bauteilspalt
236
Höhenlinien
240
Kühlbohrungen
Claims (12)
1. Bauteil (210) einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, wobei
das Bauteil (210) von einer heißen Fluidströmung (220) überströmt wird,
und die Fluidströmung in zumindest einem Bereich des Bauteils (210) einen
veränderten statischen Druck aufweist, ferner zum Zwecke der Zuführung
eines Kühlfluides in dem Bauteil (210) Kühlbohrungen (240) angeordnet
sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlbohrungen (240) gleiche Quer
schnitte aufweisen und in unterschiedlichen Abständen zueinander ange
ordnet sind.
2. Bauteil nach Anspruch 1, bei dem die Kühlbohrungen (240) in einem Be
reich erhöhten statischen Drucks (234) der Fluidströmung in kleineren Ab
ständen zueinander angeordnet sind als im Bereich niedrigeren statischen
Druckes der Fluidströmung.
3. Bauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Kühlbohrungen
(240) zueinander in einer Reihe angeordnet sind.
4. Bauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Bauteil als
Plattform (210) ausgeführt ist.
5. Bauteil nach Anspruch 4, bei dem stromab der Kühlbohrungen (240) auf der
Plattform (210) oder auf einer weiteren, stromab angeordneten Plattform
eine Schaufel (211) angeordnet ist.
6. Bauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Kühlbohrungen
(240) mit runden oder elliptischen Querschnitten ausgeführt sind.
7. Bauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem stromab des Bau
teils ein Bauteilspalt angeordnet ist.
8. Verfahren zur Kühlung von Bauteilen (210) einer Turbomaschine, insbeson
dere einer Gasturbine, bei der die Bauteile von einer heißen Fluidströmung
(220) überströmt werden, wobei die Fluidströmung (220) in zumindest ei
nem Bereich einen erhöhten statischen Druck (234) aufweist, und ferner zur
Kühlung zumindest eines der Bauteile (210) ein Kühlfluid zugeführt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bereich erhöhten statischen Druckes
(234) der Fluidströmung (220) ein größerer Massenstrom des Kühlfluides
zugeführt wird als in einem Bereich niedrigeren statischen Druckes der
Fluidströmung (220).
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Kühlfluid zur Ausbildung eines
Kühlfluidfilms auf einer Bauteiloberseite des Bauteils (210) der Bauteilober
seite mittels mit gleichen Querschnitten ausgeführten und in unterschiedli
chen Abständen zueinander angeordneten Kühlbohrungen (240) zugeführt
wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei dem der Kühlfluidfilm in
dem Bereich erhöhten statischen Druckes (234) im Vergleich zu dem Be
reich niedrigeren statischen Druckes der Fluidströmung intensiviert wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem das Kühlfluid der
Bauteiloberseite mittels kleinerer Abstände der Kühlbohrungen in dem Be
reich erhöhten statischen Druckes (234) im Vergleich zu dem Bereich nied
rigeren statischen Druckes mit einem im Bereich erhöhten statischen Druc
kes (234) lokal größeren Massenstrom zugeführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem das Kühlfluid mit
tels zueinander in einer Reihe angeordneter Kühlbohrungen (240) auf die
Bauteiloberseite des Bauteils (210) ausgeblasen wird.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19856199A DE19856199A1 (de) | 1998-12-05 | 1998-12-05 | Kühlung in Gasturbinen |
US09/449,521 US6276897B1 (en) | 1998-12-05 | 1999-11-29 | Cooling in gas turbines |
EP99811112A EP1008727A3 (de) | 1998-12-05 | 1999-12-02 | Kühlung in Gasturbinen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19856199A DE19856199A1 (de) | 1998-12-05 | 1998-12-05 | Kühlung in Gasturbinen |
Publications (1)
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