DE19856458B4

DE19856458B4 - Kühlvorrichtung zur gezielten Beaufschlagung einer zu kühlenden Oberfläche mit einem gasförmigen Kühlmedium sowie Verfahren hierzu

Info

Publication number: DE19856458B4
Application number: DE19856458.9A
Authority: DE
Inventors: Dr. Prof. Keller Jakob
Original assignee: General Electric Technology GmbH
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 1998-12-03
Filing date: 1998-12-03
Publication date: 2017-08-10
Anticipated expiration: 2018-12-04
Also published as: DE19856458A1

Abstract

Kühlvorrichtung zur gezielten Beaufschlagung einer zu kühlenden Oberfläche (2) mit einem gasförmigen Kühlmedium, vorzugsweise Kühlluft, mit wenigstens einem Kühlkanal (3), der einseitig von der zu kühlenden Oberfläche (2) unmittelbar begrenzt ist und ein, von dem Kühlmedium durchströmbares Volumen umschließt, wobei an der zu kühlenden Oberfläche (2) innerhalb des Kühlkanals (3) von der Oberfläche wenigstens eine erhabene Kontur (1) vorgesehen ist, die wenigstens zwei geradlinige oder quasi-geradlinige Flächenabschnitte (6, 7) aufweist, die miteinander einen Winkel 0° < β ≦ 180° einschließen und V-artig zueinander ausgerichtet sind, wobei beide Flächenabschnitte (6, 7) relativ zum Kühlkanal (3) auf der zu kühlenden Oberfläche (2) derart mittig und symmetrisch angeordnet sind, daß die V-artig zueinander ausgerichteten Flächenabschnitte (6, 7) mit ihren zusammenlaufenden Flanken der Strömungsrichtung des Kühlmediums entgegengerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal (3) einseitig geschlossen ist und an seiner, der zu kühlenden Oberfläche (2) gegenüberliegenden Kühlkanalwand Durchgangsöffnungen (12) aufweist, durch die Kühlluft druckbeaufschlagt nach dem Prinzip der Prallkühlung in den Kühlkanal (3) einspeisbar ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung zur gezielten Beaufschlagung einer zu kühlenden Oberfläche mit einem gasförmigen Kühlmedium, vorzugsweise Kühlluft, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner wird ein Verfahren angegeben, mit dem Oberflächen möglichst effektiv gekühlt werden können. Aus der DE 195 26 917 A1 sind eine Vorrichtung mit Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 13 bekannt geworden.
Stand der Technik
Vorstehend genannte Kühlvorrichtungen sind von besonders großem Interesse für den Betrieb von Gasturbinenanlagen, die besonders stark thermisch belastete Komponenten aufweisen. So treten sehr hohe Temperaturen innerhalb der Brennkammer sowie auch an den der Brennkammer nachgeschalteten Komponenten auf, wie beispielsweise den sogenannten Übergangskanälen, durch die die in der Brennkammer entstehenden Heißgase der ersten Turbinenstufe zugeleitet werden. Diese Komponenten gilt es mit Hilfe geeigneter Kühlmaßnahmen zu Zwecken der Materialschonung entsprechend zu kühlen.
Zur Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrades einer derartigen Wärmekraftmaschine ist man zwar bestrebt das Arbeitsmedium, mit dem die Wärmekraftmaschine betrieben wird, auf ein möglichst hohes Temperaturniveau zu heben, doch ist die maximale Arbeitstemperatur durch die thermischen Belastbarkeitsgrenzen des Gehäusematerials der einzelnen, das Arbeitsmedium umgebende Komponenten begrenzt.
Zur Erhöhung der thermischen Belastbarkeit derartiger Komponenten sind Kühlsysteme bekannt, mit denen die unmittelbar dem heißen Arbeitsgas ausgesetzten Gehäusewandungen gekühlt werden können, wodurch die Arbeitstemperatur des Arbeitsmediums gesteigert werden kann.
Aus der EP 0 203 432 A1 geht hierzu ein prallgekühlter Übergangskanal hervor, der sich im wesentlichen dadurch auszeichnet, daß ein druckbeaufschlagter Luftstrom zwischen der Außenwand des Übergangskanals sowie einer, den Übergangskanal umgebenden Prallhülse eingeleitet wird, wodurch die äußere Wandung des Übergangskanals gekühlt wird. Zur Steigerung der Kühleffizienz sieht die Prallhülse an geeigneten Stellen Durchgangsöffnungen auf, durch die gezielt Kühlluft in den Zwischenraum eingespeist wird. Die einzelnen mit entsprechenden Abständen entlang des Kühlkanals vorgesehenen Öffnungen sind vorzugsweise mittig relativ zum Kühlkanal angebracht, so daß unmittelbar nach Eintritt der Kühlluft in den Kühlkanal diese aufgrund der sich nur einseitig innerhalb des Kühlkanals ausbreitenden Kühlluftströmung an der zu kühlenden Oberfläche abgelenkt wird. Entlang des Kühlkanals bildet sich ein Strömungsfluß mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit aus, der in Abhängigkeit der Anzahl der entlang des Kühlkanals vorgesehenen Öffnungen anwächst.
Durchläuft eine auf diese Weise injizierte Kühlströmung einen gradlinig verlaufenden Kühlkanal, so verhält sich die konvektive Kühlwirkung auf die den Kühlkanal umschließenden Kühlwände isotrop, d. h. an jeder Kühlwand tritt die gleiche Kühlwirkung auf. Die Isotropie der Kühlwirkung des Kühlmediums verliert sich jedoch rasch, sobald der Kühlkanal gekrümmt verläuft. Bei gekrümmt verlaufendem Kühlkanal bildet sich innerhalb des Kanals ein Strömungsprofil aus, das höhere Strömungsgeschwindigkeiten zunehmend in Richtung konvexer Krümmung des Kühlkanals aufweist. Infolge dessen werden jene Wandabschnitte innerhalb des Kühlkanals effizienter gekühlt, die eine konvexe Krümmung aufweisen als jene, die konkav gekrümmt verlaufen.
Ein diesbezüglicher Verlust an Kühlwirkung macht sich daher insbesondere an jenen Stellen, beispielsweise an der Außenwand einer Brennkammer oder eines Übergangskanals innerhalb einer Gasturbinenanlage nachhaltig bemerkbar, deren Oberflächenkrümmung konkav verläuft, zumal die hitzebeaufschlagte Innenwandung der jeweiligen Komponente aufgrund ihrer, den heißen Gasen ausgesetzten konvexen Form zum einen eine erhöhte thermisch Strahlungsexposition erfährt und zum anderen durch die Beschleunigungswirkung an der konvexen Krümmung von Heißgasen stark belastet wird. Andererseits nimmt die Kühlwirkung auf der Außenseite der zu kühlenden Oberfläche durch den konkaven Verlauf des Kühlkanals aufgrund der vorstehend beschriebenen Zusammenhänge ab, wodurch eben dieser Bereich der thermisch belasteten Komponente einer erhöhten Hitzebelastung ausgesetzt ist. Der Betrieb derartiger Anlagen zeigt auch deutlich, daß eben jene gekrümmten Stellen an der Brennkammer sowie auch an Bereichen des Übergangskanals durch häufig auftretende Schäden, wie beispielsweise Rißbildung, einer hohen Materialbelastung ausgesetzt sind. Weiterer Stand der Technik ist aus den Druckschriften US 5 802 841 A , EP 0 825 332 A1 und DE 41 42 413 C2 bekannt.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung zur gezielten Beaufschlagung einer zu kühlenden Oberfläche, beispielsweise der Oberfläche einer Brennkammer oder eines Übergangskanals innerhalb einer Gasturbinenanlage, mit mit wenigstens einem Kühlkanal, der einseitig von der zu kühlenden Oberfläche unmittelbar begrenzt ist und ein, von dem Kühlmedium durchströmbares Volumen umschließt, derart auszugestalten, daß die Kühlung auch an gekrümmt verlaufenden Oberflächenbereichen derart effektiv erfolgen soll, daß unabhängig von dem geometrischen Verlauf des Kühlkanals eine isotrope Kühlwirkung auf die den Kühlkanal umschließenden Kühlwänden erzielt wird. Die für die Verbesserung der Kühlwirkung durchzuführenden Maßnahmen sollen in ihrer konstruktiven Ausgestaltung möglichst einfach und auch nachträglich an bereits bestehenden, zu kühlenden Oberflächen, wie beispielsweise Brennkammeroberflächen, anbringbar sein. Ferner soll ein Verfahren zu effektiveren Kühlung von zu kühlenden technischen Oberflächen angegeben werden, durch das eine weitgehend gleichbleibende Kühlwirkung unabhängig vom gekrümmten Verlauf der zu kühlenden Oberfläche erreicht werden kann.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 sowie Anspruch 13 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ausgehend von der an sich bekannten Kühltechnik der ”Prallkühlung”, wie sie beispielsweise in der vorstehend genannten europäischen Druckschrift EP 0 203 431 A1 beschrieben ist, ist erkannt worden, daß sich – bei genauerer Untersuchung des druckbeaufschlagten Einströmens von Kühlluft durch die oberen Öffnungen in den Kühlkanal wenigstens am Ort der Eintrittsöffnung – seitlich unterhalb der Eintrittsöffnung zwei koaxial in Richtung des Kühlkanals erstreckende Kühlluftwirbel ausbilden, die relativ zueinander entgegengesetzt gerichtete Wirbelrichtungen aufweisen. Das auf diese Weise im Inneren des Kühlkanals unterhalb der Lufteintrittsöffnung injizierte Wirbelpaar trägt dazu bei, die Innenwand des Kühlkanals gleichmäßig mit Kühlluft zu beaufschlagen, so daß hierdurch eine isotrope Kühlwirkung auf die Kühlkanalwandung erreicht wird.
Werden die genannten Wirbelpaare durch die Hauptströmung innerhalb des Kühlkanals mitgenommen und von den Eintrittsöffnungen getrennt, so lösen sie sich im weiteren Verlauf innerhalb des Strömungskanals rasch auf, was letzten Endes dazu führt, daß bei gekrümmt verlaufenden Kühlkanälen die vorstehend genannten Nachteile wieder auftreten.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß die beispielsweise durch Prallkühlung auftretenden Wirbelpaare auch im weiteren Verlauf des Kühlkanals dann stabil aufrechterhalten werden können, sofern an der zu kühlenden Oberfläche innerhalb des Kühlkanals von der Oberfläche wenigstens eine erhabene Kontur vorgesehen ist, die wenigstens zwei geradlinige oder quasigeradlinige Flächenabschnitte aufweist, die miteinander einen Winkel von 0° < β ≤ 180° einschließen und V-artig zueinander ausgerichtet sind. Hier ist jeweils darauf zu achten, daß beide Flächenabschnitte relativ zum Kühlkanal auf der Oberfläche derart mittig und symmetrisch angeordnet sind, so daß die V-artig zueinander ausgerichteten Flächenabschnitte mit ihren zusammenlaufenden Flanken der (Haupt-)Strömungsrichtung des Kühlmediums entgegengerichtet sind, wobei der Kühlkanal einseitig geschlossen ist und an seiner, der zu kühlenden Oberfläche gegenüberliegenden Kühlkanalwand Durchgangsöffnungen aufweist, durch die Kühlluft druckbeaufschlagt nach dem Prinzip der Prallkühlung in den Kühlkanal einspeisbar ist.
Überraschenderweise konnte gezeigt werden, daß mit einer derartig ”tannenbaumartig” ausgebildeten Rippenstruktur, die im Inneren des Kühlkanals auf der zu kühlenden Oberfläche angebracht ist, die vorstehend genannten Wirbel-Paare über eine beträchtliche Länge innerhalb des Kühlkanals als stabile Längswirbel aufrechterhalten werden können. Auf diese Weise wird die Innenwand des Kühlkanals gleichmäßig von dem Kühlmedium umströmt unabhängig davon, ob der Kühlkanal geradlinig oder gekrümmt verläuft.
Durch die Ausbildung der erfindungsgemäßen Konturen vorzugsweise als V-förmig angeordnete geradlinige Rippenpaare, die in Strömungsrichtung entlang der zu kühlenden Oberfläche innerhalb des Kühlkanals hintereinander beabstandet angeordnet sind, werden überdies bei Überströmen der Konturen mit einem gasförmigen Kühlmedium Wirbelpaare der vorstehend genannten Ausbildung generiert. Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung kann demzufolge auch in Alleinstellung ohne einer vorgeschalteten Prallkühlung Wirbelpaare selbständig und eigenstabil erzeugen.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zur externen Kühlung von zu kühlende Oberflächen – ohne die bei von gasförmigen Kühlmedien durchströmten Kühlkanälen auftretende Richtungsabhängigkeit der Kühlwirkung – derart angegeben, daß dem gasförmigen Kühlmedium zusätzlich zu seiner axialen Strömungsrichtung innerhalb des Kühlkanals eine Wirbelbildung aufgezwungen wird, die zu einem Wirbel-Paar führt, deren Wirbelachsen koaxial zum Kühlkanal verlaufen und deren Wirbelrichtungen zueinander gegenläufig orientiert sind, wobei zur Ausbildung des Wirbel-Paares innerhalb des Kühlkanals der Kühlkanal Öffnungen aufweist, die nach dem Prinzip der Prallkühlung mit druckbeaufschlagter Kühlluft durchströmt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1a, b, c schematisierte Dreiseitendarstellung der erfindungsgemäßen Kontur innerhalb eines Kühlkanals,
2a, b Querschnittsdarstellung durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Kühlkanal sowie,
3a, b Kombination eines prallgekühlten Kühlkanals mit anschließendem erfindungsgemäß ausgestaltetem Kühlkanal.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In 1a ist eine Draufsicht auf die inneren Konturen 1, die auf der zu kühlenden Oberfläche 2 des Kühlkanals 3 aufgebracht sind, der wiederum seitlich durch die Wände 4 und 5 begrenzt ist, dargestellt.
Die Konturen 1 bestehen jeweils aus hintereinander gereihten jeweils geradlinig ausgebildeten Rückenzügen 6 und 7, die V-förmig ausgerichtet sind.
In 1b ist der Querschnitt eines vorteilhaft ausgebildeten Kühlkanals 3 dargestellt, der von Seitenwänden 4, 5 sowie einer oberen Wand 8 begrenzt wird. Der Kühlkanal 3 schließt unmittelbar mit der zu kühlenden Oberfläche 2 ab, auf der geradlinig ausgebildete Rippenzüge 6 und 7 aufgebracht sind. Die Rippenzüge 6, 7 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel sowohl von den Seitenwänden 4, 5 als auch untereinander seitlich beabstandet.
Bei Durchströmen eines gasförmigen Kühlmedium, vorzugsweise Kühlluft, durch den Kühlkanals 3 bildet sich über den auf der zu kühlenden Oberfläche befindlichen erhabenen Konturen ein Wirbelpaar aus, das wie im gezeigten Fall gemäß 1b zwei gegenläufig gerichtete Wirbel 9, 10 aufweist. Die längs zum Kühlkanal 3 sich erstreckenden Wirbel 9, 10 tragen insbesondere dazu bei, daß insbesondere die zu kühlende Oberfläche 2 unabhängig vom geometrischen Verlauf des Kühlkanals mit einer gleichbleibenden Kühlwirkung gekühlt wird. Dies ist eine Folge der sich ausbildenden Wirbelpaare, deren Eigenstabilität zusätzlich durch die Konturen 1 unterstützt wird.
In 1c ist ein Längsschnitt durch einen gekrümmt verlaufenden Kühlkanal 3 abgebildet, dessen zu kühlende Oberfläche 2 eine konkave Krümmung vorsieht. Im dargestellten Fall soll die Wand 2 an ihrer Innenseite unmittelbar mit Heißgasen H hitzebeaufschlagt sein, wie sie beispielsweise im Inneren einer Brennkammer auftreten. Derartige Heißgase H umströmen konvex gestaltete Wände mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit, wodurch die Wand 2 einer besonders starken Strahlenexposition ausgesetzt ist. Wie eingangs geschildert würde ein konventionell betriebener Kühlkanal auf der Außenseite der Wand 2 aufgrund des konkaven Kühlkanalverlaufes durch eine verminderte Kühlleistung auf die zu kühlende Oberfläche 2 bewirken, doch vermag die erfindungsgemäß erkannte Wirkung und Ausbildung der Wirbelpaare die zu kühlende Oberfläche wie auch alle anderen Kühlkanalwände in gleichbleibender Weise unabhängig vom Krümmungsverhalten des Kühlkanals zu kühlen.
Die dem optimierten Kühleffekt zugrundeliegende Idee ist die Generierung einer möglichst hohen Strömungsgeschwindigkeit in der Nähe der konkav gekrümmten, zu kühlenden Oberfläche 2 indem zusätzlich zum normalen Hauptströmungsfeld, das durch das axiale Durchströmen des Kühlkanals 3 mit einem gasförmigen Kühlmedium vorherrscht, ein zweites Strömungsfeld generiert wird, das mit dem Hauptströmungsfeld in Überlagerung gebracht wird. Das zweite Strömungsfeld ist. durch die Wirbelpaarbildung bedingt, und enthält im wesentlichen eine lateral zur Hauptströmungsrichtung orientierte Geschwindigkeitskomponente, die insbesondere zu einer erheblichen Effizienzsteigerung der Kühlwirkung an den Innenwänden des Kühlkanals beiträgt.
Das erfindungsgemäße Vorsehen der in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 dargestellten erhabenen Konturen, die V-artig bzw. tannenbaumartig angeordnet sind, sollten in Kühlkanälen zumindest in Bereichen vorgesehen werden, in denen der Kühlkanal konkav gekrümmt ist. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, daß die Konturen an der zu kühlenden Oberfläche einige hydraulische Durchmesser vor dem Beginn einer konkaven Krümmung des Kühlkanals angeordnet sind und sollten sich zumindest bis zum Mittelpunkt des konkaven Krümmungsverlaufes des Kühlkanals erstrecken. In Bereichen, in denen der Kühlkanal geradlinig verläuft, in denen die Hauptströmung der Kühlluft durch den Kühlkanal eine isotrope Kühlwirkung entfaltet, kann auf die erfindungsgemäße Kontur innerhalb des Kühlkanals verzichtet werden.
Unter Bezugnahme auf die 2a, 2b, in denen Bezugszeichen für eine besonders vorteilhafte Dimensionierung des Kühlkanals dargestellt sind, wird auf die nachstehenden physikalischen Zusammenhänge verwiesen:
Unter der Annahme, daß sich die gegenläufigen Wirbel 9, 10 vollständig getrennt ausbilden, kann für das Drehmoment, das durch einen einzelnen Rippenzug auf die den Rippenzug überströmende Kühlluft folgender Zusammenhang aufgestellt werden: ΔT = c_D 1 / 2ρ[Ucosα]² s / 2sinα bδ / 2cosα (1) mit

ΔT: Torsionskraft pro Rippenzug auf Kühlluft
c_D: Strömungswiderstandskoeffizient
ρ: Dichte der Kühlluft
U: Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft durch den Strömungskanal
α: Anstellwinkel eines Rippenzuges relativ zur Lateralrichtung
s, b: Höhe und Breite des Kühlkanals
δ: Konturhöhe

Ferner kann unter Zuhilfenahme des Helmholz-Theorems und der Annahme, daß N-Rippenzüge, die nacheinander innerhalb eines Kühlkanals in der vorstehend dargestellten Weise angeordnet sind, eine Beziehung angegeben werden, die die laterale Strömungsgeschwindigkeit eines einzelnen Wirbels bei der Ausbildung eines Wirbelpaares beschreibt: W = π / 2·[2s + b / ]c_Dsin(2α)NδU (2) mit

W: Laterale Strömungsgeschwindigkeit
N: Anzahl der hintereinander angeordneten Rippenzüge

Wählt man typischerweise für α = ☐/4, c_D = 1, b = 2s und ☐/s = 0.1, so erhält man für die sogenannten Drallzahl W/U den Ausdruck: W / U = N π / 8 / 0
Auf der Grundlage der vorstehenden Überlegungen zeigt sich, daß sich bei einer Anzahl von 25 Rippenzügen, die hintereinander innerhalb des Kühlkanals angeordnet sind, eine Drallzahl von 1 ausbildet, d. h. die Strömungsgeschwindigkeit axial durch den Kühlkanal ist von gleicher oder ähnlicher Größenordnung wie die laterale Geschwindigkeit innerhalb der sich ausbildenden Wirbelpaare.
Neben der Anordnung von Konturen der vorstehend genannten Art auf der zu kühlenden Oberfläche können auch weitere erhabene Konturen, in der gleichen oder ähnlichen Weise an den Innenseiten der Seitenwände 4, 5 oder an der oberen Wand 8 angebracht werden. Auf diese Weise kann die Torsionskraft T weiter gesteigert werden.
Eine besonders vorteilhafte Kombination der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist in 3 dargestellt. In 3a, b ist ein einseitig geschlossener Kühlkanal 3 dargestellt, der beginnend an seinem geschlossenen Ende 11 auf seiner oberen Wand 8 Durchgangsöffnungen 12 vorsieht. In 3a ist eine entsprechende Querschnittsdarstellung gezeigt, wohingegen 3b eine Draufsicht bietet. Der mit den Durchgangsöffnungen 12 versehene Teil des Kühlkanals entspricht einem prallgekühlten Kühlkanal, bei dem sich durch die mittige Anordnung der Durchgangsöffnungen 12 relativ zum Kühlkanal 3 die vorstehend beschriebenen Wirbelpaare durch entsprechende Umlenkung im Inneren des Kühlkanals generieren. Aufgrund der einseitigen Geschlossenheit des Kühlkanals und der keilförmig angeordneten oberen Wand 8 wird eine Hauptströmungsrichtung von links nach rechts durch den dargestellten Kühlkanal erzeugt. Durch die Hauptströmungsrichtung innerhalb des Kühlkanals werden auch die durch die Durchtrittsöffnungen 12 generierten Wirbelpaare in den Bereich des Kühlkanals 3 verbracht, in dem die erfindungsgemäßen Konturen 1 vorgesehen sind. Hierdurch werden die bereits. erzeugten Wirbel weiterhin aufrechterhalten und zusätzlich in ihrer Wirbelstärke gesteigert.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, dem Vorsehen von rippenförmigen. Konturen auf der Innenseite eines Kühlkanals kann die Wärmeübergangszahl bei einer Drallzahl W/U von etwa 1 um ca. 160% gesteigert werden im Vergleich zum konventionellen. Fall eines Kühlkanals, der keine Innenstruktur aufweist.
Je nach Grösse der Taylorzahl wird ein Wirbelpaar in konkaven Wandbereichen allein wegen der konkaven Wandkrümmung angefacht.
Bezugszeichenliste

1: Kontur
2: zu kühlende Oberfläche
3: Kühlkanal
4, 5: seitliche Wand des Kühlkanals
6, 7: Rippenzüge
8: obere Wand des Kühlkanals
9, 10: gegenläufig gerichtete Wirbel
11: geschlossenes Ende des Kühlkanals.
12: Durchgangsöffnung

Claims

Kühlvorrichtung zur gezielten Beaufschlagung einer zu kühlenden Oberfläche (2) mit einem gasförmigen Kühlmedium, vorzugsweise Kühlluft, mit wenigstens einem Kühlkanal (3), der einseitig von der zu kühlenden Oberfläche (2) unmittelbar begrenzt ist und ein, von dem Kühlmedium durchströmbares Volumen umschließt, wobei an der zu kühlenden Oberfläche (2) innerhalb des Kühlkanals (3) von der Oberfläche wenigstens eine erhabene Kontur (1) vorgesehen ist, die wenigstens zwei geradlinige oder quasi-geradlinige Flächenabschnitte (6, 7) aufweist, die miteinander einen Winkel 0° < β ≦ 180° einschließen und V-artig zueinander ausgerichtet sind, wobei beide Flächenabschnitte (6, 7) relativ zum Kühlkanal (3) auf der zu kühlenden Oberfläche (2) derart mittig und symmetrisch angeordnet sind, daß die V-artig zueinander ausgerichteten Flächenabschnitte (6, 7) mit ihren zusammenlaufenden Flanken der Strömungsrichtung des Kühlmediums entgegengerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal (3) einseitig geschlossen ist und an seiner, der zu kühlenden Oberfläche (2) gegenüberliegenden Kühlkanalwand Durchgangsöffnungen (12) aufweist, durch die Kühlluft druckbeaufschlagt nach dem Prinzip der Prallkühlung in den Kühlkanal (3) einspeisbar ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenabschnitte (6, 7) in Art eines Tannenbaum-Musters auf der zu kühlenden Oberfläche (2) angeordnet sind.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammenlaufenden Flanken der Flächenabschnitte (6, 7) beabstandet sind.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Konturen (1) in Strömungsrichtung innerhalb des Kühlkanals (3) hintereinander angeordnet sind.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal (3) einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist mit einer Breite b und Höhe s.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Kühlkanals (3) ein Breite zu Höhe Verhältnis von annähernd 2 aufweist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur (1) eine Höhe δ aufweist, wobei es gilt: δ/s ≈ 0,1
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß β 90° entspricht.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß neben den Konturen (1) auf der zu kühlenden Oberfläche (2) innerhalb des Kühlkanals (3) weitere Konturen an Innenwänden des Kühlkanals (3) vorgesehen sind.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Konturen Flächenabschnitte sind, die schräg zur Strömungsrichtung verlaufen.
Verwendung der Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur externen Kühlung einer Brennkammer und/oder eines Übergangskanals innerhalb einer Gasturbinenanlage durch Vorsehen wenigstens eines Kühlkanals (3) an der äußeren Oberfläche der Brennkammer und/oder des Übergangskanals, wobei die Kühlvorrichtung mit einem prallgekühlten Kühlkanal derart kombinierbar ist, daß der mit wenigstens einer erhabenen Kontur ausgestattete Kühlkanal in Verlängerung des prallgekühlten Kühlkanals in Strömungsrichtung des gasförmigen Kühlmediums vorgesehen ist.
Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung an besonders gekrümmten Oberflächenbereichen angebracht ist, vorzugsweise an Oberflächenbereiche, deren äußere Wandung eine konkave Krümmung aufweist.
Verfahren zur externen Kühlung einer zu kühlenden Oberfläche auf der wenigstens ein Kühlkanal (3) vorgesehen ist, der von einem gasförmigen Kühlmedium, vorzugsweise Kühlluft axial zum Kühlkanal (3) durchströmt und einseitig von der zu kühlenden Oberfläche unmittelbar begrenzt wird sowie ein, von dem Kühlmedium durchströmbares Volumen umschließt, wobei dem gasförmigen Kühlmedium zusätzlich zu seiner axialen Strömungsrichtung innerhalb des Kühlkanals eine Wirbelbildung aufgezwungen wird, die zu einem Wirbel-Paar (9, 10) führt, deren Wirbelachsen koaxial zum Kühlkanal (3) verlaufen und deren Wirbelrichtungen zueinander gegenläufig orientiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung des Wirbel-Paares (9, 10) innerhalb des Kühlkanals (3) der Kühlkanal Öffnungen (12) aufweist, die nach dem Prinzip der Prallkühlung mit druckbeaufschlagter Kühlluft durchströmt werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Wirbel-Paar (9, 10) symmetrisch innerhalb des Kühlkanals (3) ausbildet und eine derartige Wirbelrichtung aufweist, daß mittig zum Kühlkanal (3) beide Wirbel (9, 10) des Wirbel-Paares eine zur zu kühlenden Oberfläche gerichtete Strömungsrichtung aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung des Wirbel-Paares (9, 10) innerhalb des Kühlkanals (3) sowie zur Aufrechterhaltung des Wirbel-Paares (9, 10) die Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 verwendet wird.