DE19963373A1

DE19963373A1 - Vorrichtung zur Kühlung einer, einen Strömungskanal umgebenden Strömungskanalwand mit wenigstens einem Rippenzug

Info

Publication number: DE19963373A1
Application number: DE19963373A
Authority: DE
Inventors: Sacha Parneix; Jens Von Wolfersdorf; Bernhard Weigand
Original assignee: ABB Alstom Power Switzerland Ltd
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 1999-12-28
Publication date: 2001-07-12
Also published as: DE50003825D1; US6666262B1; EP1118831A2; EP1118831A3; EP1118831B1

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur Kühlung einer, einen Strömungskanal umgebenden Strömungskanalwand mit wenigstens einem, in ein, durch den Strömungskanal hindurchtretendes Strömungsmedium, Strömungswirbel induzierenden Rippenzug, der an der, dem Strömungskanal zugewandten Seite der Strömungskanalwand angebracht ist und eine Hauptlängserstreckung aufweist, die in einem Winkel alpha NOTEQUAL 0 zur Strömungsrichtung des durch den Strömungskanal hindurchtretenden Strömungsmediums orientiert ist. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Rippenzug entlang der Hauptlängserstreckung wenigstens teilweise Rippenzugabschnitte aufweist, deren Rippenzugabschnittsachsen mit der Hauptlängserstreckung einen Winkel beta NOTEQUAL o aufweist.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Kühlung einer, einen Strömungs kanal umgebenden Strömungskanalwand mit wenigstens einem, in ein durch den Strömungskanal hindurchtretendes Strömungsmedium Strömungswirbel induzieren den Rippenzug, der an der, dem Strömungskanal zugewandten Seite der Strö mungskanalwand angebracht ist und eine Hauptlängserstreckung aufweist, die in einem Winkel α ≠ 0 zur Strömungsrichtung des durch den Strömungskanal hindurch tretenden Strömungsmediums orientiert ist.

Stand der Technik

Die Leistungssteigerung von Gasturbinenanlagen und der Wunsch nach höheren Wirkungsgraden ist eng verknüpft mit der Forderung nach höheren Prozesstempe raturen, die sich durch die Verbrennung eines Brennstoff-Luftgemisch innerhalb der Brennkammer einstellen. Der Wunsch nach höheren Prozesstemperaturen, dem man mit heutigen Verbrennungstechniken durchaus gerecht werden kann, stößt je doch seinerseits an Materialgrenzen aufgrund der nur thermisch begrenzt belastba ren Anlagenkomponenten, die den durch die Verbrennung innerhalb der Brennkam mer entstehenden Heißgasen unmittelbar ausgesetzt sind. Um einerseits die Pro zesstemperaturen zu erhöhen und somit den thermodynamischen Wirkungsgrad ei ner Gasturbinenanlage zu steigern aber trotzdem unterhalb des thermischen Schmelzpunktniveaus der jeweiligen Materialien zu liegen, aus denen die einzelnen Gasturbinenanlagenkomponenten, wie beispielsweise Turbinenschaufelblätter, Brennkammerwände, etc., gefertigt sind, werden in an sich bekannter Weise jene thermisch stark belasteten Anlagenkomponenten mittels unterschiedlich ausgebilde ter Kühlkanalsysteme gekühlt. Typischerweise werden im Inneren von Turbinen schaufeln oder entlang der Brennkammerwände Kühlkanäle vorgesehen, durch die, verglichen mit der Temperatur der Heissgase relativ kalte Luft eingespeist wird. Bei spielsweise werden durch die, der Verdichterstufen nachgeschalteten Kühlkanalsy steme ein Teil der komprimierten Luft aus dem Luftverdichter abgeleitet und in die Kühlkanäle eingespeist.

Um den Kühleffekt innerhalb der Kühlkanäle zu verbessern, ist es überdies bekannt, an den Kühlkanalinnenwandseiten, über die Innenwand erhabene Rippenzüge anzu bringen, durch die der Wärmeaustausch zwischen der warmen Kühlkanalwand und dem Kühlluftstrom entscheidend verbessert werden kann. Die dem Vorsehen von Kühlrippen zugrunde liegende Idee besteht in der Ausbildung Kühlkanalwand naher Wirbel, durch die der Kühlluftmassenstrom, der mit der Kühlkanalinnenwand in ther mischen Kontakt tritt, entscheidend erhöht werden kann. So bilden sich innerhalb des Kühlluftstromes, der axial durch den Kühlkanal gerichtet ist, sogenannte Sekundär wirbel aus, die Wirbelströmungskomponenten aufweisen, die senkrecht zu den Kühl kanalwänden gerichtet sind. Die Ausbildung derartiger Sekundärwirbel ist in Fig. 2 illustriert, in der ein perspektivischer Querschnitt durch einen an sich bekannten Kühlkanal 1 gezeigt ist. Der im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 dargestellte Kühlkanal 1 weist einen quadratischen Querschnitt auf und ist deshalb von vier gleich langen Kühlkanalwänden umgeben. Zwei sich gegenüberliegende Kühlkanal wände 2, 3 sind dabei mit jeweils in Kühlkanallängsrichtung hintereinander angeord neten Rippenzügen 4 versehen. Die als geradlinig ausgebildete und einen rechteck förmigen Querschnitt aufweisende Rippenzüge 4 verlaufen vorzugsweise schräg zur Längserstreckung des Kühlkanals 1 und schließen mit der Kühlkanallängsachse A einen Winkel α von etwa 45° ein. Tritt nun der Kühlluftstrom axial durch den Kühlka nal 1 hindurch, so bildet sich durch die Rippenzüge 4 im Strömungsquerschnitt des Kühlmittelstromes ein Strömungsprofil aus, das zwei Sekundärwirbel 5, 6 vorsieht. Die Sekundärwirbel 5, 6 führen ihrerseits zu einer turbulenten Durchmischung der Grenzschicht unmittelbar über der Kühlkanalinnenwand, wodurch ein verbesserter Kühlluftaustausch an der Kühlkanalinnenwand stattfindet und sich ein größerer Wärmefluss von der heißen Kühlkanalinnenwand auf den Kühlluftstrom ergibt. Basie rend auf dieser Erkenntnis wurden viele Studien angestellt, die sich mit dem Einfluss der Änderung von, die Rippenzüge bestimmende Parameter auf die Wärmeüber gangseffizienz beziehen, wie Änderungen von Rippenzughöhe, Rippenzugabstand, Rippenausrichtung relativ zur Kühlkanallängsachse, Reynolds- und Prandlzahl, Kühl kanalaspektverhältnis, etc.. Diesbezügliche Untersuchungen beschränkten sich je doch lediglich auf geradlinig verlaufende Rippenzüge.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Kühlung einer, einen Strömungskanal umgebenden Strömungskanalwand mit wenigstens einem, in ein durch den Strömungskanal hindurchtretendes Strömungsmedium Strömungswirbel induzierenden Rippenzug, der an der, dem Strömungskanal zugewandten Seite der Strömungskanalwand angebracht ist und eine Hauptlängserstreckung aufweist, die in einem Winkel α ≠ 0° zur Strömungsrichtung des durch den Strömungskanal hindurch tretenden Strömungsmedien orientiert ist, derart weiterzubilden, dass die Kühlwir kung der Vorrichtung erheblich gesteigert werden soll ohne dabei den fertigungs technischen Aufwand verglichen mit konventionellen Maßnahmen entscheidend zu erhöhen. Durch die Verbesserungen soll es möglich sein, die Kühlleistung der durch einen Strömungskanal hindurchtretenden Kühlluftstrom zu verbessern, so dass eine weitere Leistungszunahme durch erhöhte Prozesstemperaturen innerhalb der Ga sturbinenanlage möglich wird.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 ange geben. Die im Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegen stand der Unteransprüche sowie der Beschreibung und den Ausführungsbeispielen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung gemäß des Oberbegriffes des Anspruchs 1 derart weitergebildet, dass der Rippenzug entlang der Hauptlängserstreckung wenig stens teilweise Rippenzugabschnitte aufweist, deren Rippenzugabschnittsachsen mit der Hauptlängserstreckung einen Winkel β ≠ 0° einschließt.

Die Erfindung knüpft an der bekannten Erkenntnis an, dass vorzugsweise schräg zur Hauptströmung innerhalb eines Kühlkanals verlaufende Rippenzüge die schematisch in Fig. 2 dargestellten Sekundärwirbel generieren, durch die kühle Luft aus dem Zentrum des Kühlkanals an die heißen Kühlkanalinnenwände transportiert wird, um diese effektiv zu kühlen. Im Unterschied zu den bislang geradlinig verlaufenden Rip penelementen sieht die Erfindung vor, die Rippenelemente derart gekrümmt um ihre Rippenlängsachse auszubilden, so dass sie beispielsweise eine Schlangenlinienform annehmen, die in vielfacher Weise ausgeführt sein kann. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform besteht in der sinusförmigen Ausbildung der Rippenelemente, wo bei die Hauptausrichtung des Rippenelementes relativ zur Hauptströmung wie bei den bekannten geradlinig ausgebildeten Rippenelementen, vorzugsweise 45° relativ zur Hauptströmungsrichtung, erhalten bleibt.

Auch eignen sich eine Vielzahl unmittelbar aneinandergereihter Halbkreisabschnitte für die Bildung erfindungsgemäß ausgebildeter Rippenzuggeometrien. Für weitere, mögliche Rippenzugausbildungen wird auf die Ausführungsbeispiele bezugnehmend auf die Figuren verwiesen.

Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung der Rippenzüge sind insbesondere zwei Vorteile verbunden, nämlich eine weitgehend unveränderte Ausbildung von Sekun därwirbeln, die zu einer aktiven Durchmischung der Grenzschicht nahe der Kühlka nalinnenwandoberfläche führt. Ferner wird durch die entlang der Rippenzüge vorge sehenen gekrümmten Abschnitte eine größere Oberfläche der Rippenzüge geschaf fen, wodurch die Wärmeübergangsoberfläche ansteigt. Unter der Voraussetzung, dass durch die geometrische Modifikation der Rippenzüge der Wärmeübergangs koeffizient verglichen mit den konventionell, geradlinig ausgebildeten Rippenele menten weitgehend unverändert bleibt, wovon man ausgehen kann, so steigt mit der erhöhten Wärmeübergangsoberfläche merklich der Wärmeaustausch zwischen den heißen Kühlkanalinnenwänden und der durch den Kühlkanal hindurchströmenden Kühlluft an.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsge dankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch. Es zeigen:

Fig. 1 schematisierte Draufsicht auf eine Kühlkanalinnenwand mit erfindungs gemäß ausgebildeten Rippenzügen,

Fig. 2 perspektivische Querschnittsdarstellung durch einen Kühlkanal mit Strö mungsprofil (Stand der Technik),

Fig. 3a-d unterschiedliche Ausführungsformen zu Rippenzügen,

Fig. 4a, b perspektivische Querschnittsdarstellungen durch Kühlkanäle mit erfin dungsgemäß ausgebildeten Rippenzügen sowie Fig. 5a-e schematisierte Darstellungen zum Verlauf weiterer Rippenzüge.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

In Fig. 1 ist in stark schematisierter Weise die Draufsicht auf eine Kühlkanalinnen wand 3 dargestellt, an deren dem Kühlkanal zugewandten Seiten geschwungen aus gebildete Rippenzüge 4 vorgesehen sind. Die Rippenzüge 4 sind ebenso wie im be kannten Fall gemäß der Fig. 2 schräg zur Hauptströmungsrichtung 7 ausgerichtet und schließen mit dieser vorzugsweise einen Winkel von α = 45° ein. Relativ zu ihrer Rippenzuglängsachse 8 sind die Rippenzüge 4 im dargestellten Fall geschwungen ausgebildet, beispielsweise in Art eines sinusförmigen Wellenzuges.

Durch den welligen Verlauf jedes einzelnen Rippenzuges wird automatisch die Ober fläche jedes einzelnen Rippenzuges vergrößert, über die ein Wärmeaustausch von der heißen Kanalinnenwand 3 zur Kühlluft stattfinden kann. Unter Bezugnahme auf die Fig. 3a-d wird gezeigt, welchen Einfluss die Form der einzelnen Rippenzü ge auf den gesamten Wärmeaustausch innerhalb des jeweiligen Kühlkanals hat. Im folgenden wird davon ausgegangen, dass die Rippenzüge 4 in einer 45° Geometrie relativ zur Hauptströmungsrichtung 7 ausgerichtet sind. Die Rippenzüge selbst wei sen eine Rippenhöhe von etwa 10% der Kühlkanalhöhe auf, was dem hydraulischen Durchmesser des Kühlkanals entspricht. Ebenso beträgt das Verhältnis zwischen Abstand zweier benachbarten Rippenzüge zu ihrer Höhe 10. Die folgenden in den Fig. 3a-d dargestellten, unterschiedlichen Rippenzugverläufen sollen nun in ihren Wärmeübergangseigenschaften miteinander verglichen werden. In Fig. 3a ist der konventionelle Rippenzugverlauf dargestellt, der vielfach in bekannter Weise in Kühlkanälen zu Einsatz kommt. Fig. 3b zeigt sinusförmig ausgebildete Rippenzüge, Fig. 3c stellt Rippenzüge dar, die aus Halbkreissegmenten zusammengesetzt sind und Fig. 3d zeigt Rippenzüge, die über Halbkreissegmente sowie diese über gerad linig verbindende Rippenzugabschnitte zusammengesetzt sind. Alle in den Fig. 3a-d dargestellten Rippenzüge weisen ansonsten gleiche Rippenhöhen auf und sind jeweils an zwei sich gegenüberliegenden Kühlkanalwänden vorgesehen, über die Kühlluft strömt.

In der zu den Fig. 3a-b zugehörigen Tabelle T sind Rechnungsergebnisse dar gestellt, die den Zusammenhang zwischen unterschiedlichen ausgebildeten Rippen zuggeometrien auf den im Inneren des Kühlkanals stattfindenden Wärmeübergangs darstellen sollen. So stellt die Spalte a den Faktor der Zunahme an Rippenoberfläche dar im Vergleich zu einer geradlinig verlaufenden Rippe gemäß Fig. 3a. Die mittlere Spalte b enthält den prozentualen Faktor bezüglich der Oberflächenzunahme bezo gen auf den gesamten Kühlkanal und aus der rechten Spalte c ist die prozentuale Zunahme am Wärmeübergang dargestellt verglichen mit den in Fig. 3a dargestell ten Rippenzügen. Die einzelnen Tabellenzeilen sind den Ausführungsbeispielen der Fig. 3b, c und d zugeordnet.

Es zeigt sich, dass der Wärmeübergang entscheidend positiv beeinflusst werden kann, indem die Oberfläche der Rippenelemente vergrößert wird. So ist im Falle der Rippenelemente gemäß der Ausbildung in Fig. 3d zu sehen, dass eine Wärme übergangszunahme von 21,4% zu verzeichnen ist, verblichen zu den geradlinig aus gebildeten Rippenelementen gemäß Fig. 3a. Grundsätzlich lassen sich beliebig weitere Rippengeometrien ausgestalten, die über eine ihre Oberfläche vergrößernde Kontur verfügen.

In den Fig. 4a und 4b sind perspektivische Querschnittsdarstellungen durch ei nen quadratisch ausgebildeten Kühlkanal dargestellt, gleichsam der Darstellung ge mäß Fig. 2, jedoch sind in den Fig. 4a, b die Rippenzüge 4 erfindungsgemäß gekrümmt ausgeführt. So verlaufen die Rippenzüge 4 im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4a sinusförmig, wohingegen die Rippenzüge gemäß 4b aus einer Aneinander reihung von Halbkreisabschnitten besteht, die jeweils über geradlinig verlaufende Rippenzugabschnitte miteinander verbunden sind.

In Gegenüberstellung der beiden Rippenformen gemäß Fig. 4a und b ist festzu stellen, dass im Falle der sinusförmig ausgebildeten Rippen (Fig. 4a) Sekundärwir bel 5, 6 gebildet werden, die nahezu die gleiche Wirbelstärke aufweisen, wie es bei spielsweise im Kühlkanal gemäß Fig. 2 der Fall ist. Es zeigt sich jedoch, dass die Stärke der Ausbildung von Sekundärwirbeln innerhalb eines Kühlkanals bei Rippen zügen abnimmt, deren Welligkeit und somit deren Rippenoberfläche größer wird. Aus dem Querschnittsprofil gemäß Fig. 4b kann entnommen werden, dass die Sekun därwirbelstärke schwächer ausgebildet ist, als im Falle gemäß Fig. 4a, doch sind auch in Fig. 4b Sekundärwirbel (siehe Pfeil) vorhanden, die einen erhöhten Wär meübergang Zwischen dem Kühlmedium Luft und den heißen Kammerwänden zur Folge haben.

Neben den dargestellten Rippenzuggeometrien sind auch beliebig weitere Rippen zuggeometrien relativ zu ihrer Rippenlängsachse denkbar, wie es aus den Fig. 5a-e zu entnehmen ist. In den einzelnen Darstellungen ist der Verlauf der Rippen zuglängsachse strichliert eingezeichnet. Die durchgezogene Linie stellt schematisiert den Verlauf des Rippenzuges dar. Neben den geschwungen ausgebildeten Rippen zügen der Fig. 3b-d sind gemäß den Fig. 5a, b und c auch kantig bzw. ecki ge Rippenzuggeometrien denkbar, die einen ähnlichen, den Wärmeübergang ver bessernden Effekt zur Folge haben. Die Fig. 5d und e zeigen hingegen ge schwungen bzw. gebogen verlaufende Rippenzüge relativ zu ihrer gestrichelt einge zeichneten Rippenzuglängsachse.

Bezugszeichenliste

1

Kühlkanal

2

,

3

Kühlkanalwand

4

Rippenzug

5

,

6

Sekundärwirbel

7

Strömungsrichtung

8

Rippenzuglängsachse

Claims

1. Vorrichtung zur Kühlung einer, einen Strömungskanal (1) umgebenden Strö mungskanalwand (2, 3) mit wenigstens einem, in ein durch den Strömungskanal (1) hindurchtretendes Strömungsmedium Strömungswirbel induzierenden Rippenzug (4), der an der, dem Strömungskanal (1) zugewandten Seite der Strömungskanal wand (2, 3) angebracht ist und eine Hauptlängserstreckung (8) aufweist, die in einem Winkel α ≠ 0° zur Strömungsrichtung des durch den Strömungskanal (1) hindurchtre tenden Strömungsmediums orientiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rippenzug (4) entlang der Hauptlängserstrek kung (8) wenigstens teilweise Rippenzugabschnitte aufweist, deren Rippenzugab schnittsachsen mit der Hauptlängserstreckung (8) einen Winkel β ≠ 0° aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippenzugabschnitte sinusförmig ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippenzugabschnitte aus aneinandergereihten Halbkreissegmenten zusammengesetzt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippenzugabschnitte aus Halbkreissegmenten zusammengesetzt sind, die jeweils über geradlinig verlaufende Rippenverbindungs stücke miteinander verbunden sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (1) einen rechteckförmigen oder quadratischen Strömungsquerschnitt aufweist und von vier Strömungskanalwand seiten begrenzt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an zwei gegenüberliegenden Strömungskanalwand seiten (2, 3) Rippenzüge (4) vorgesehen sind, die in Strömungsrichtung jeweils einer Vielzahl hintereinander, jeweils voneinander beabstandet angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rippenzug (4) über eine gesamte Strömungska nalwandseite (2, 3), die beidseitig von zwei Strömungskanalwandseiten begrenzt ist, verläuft.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Rippenzug (4) aus Rippenzugab schnitten besteht, die Rippenzugabschnittsachsen aufweisen, die mit der Haupt längserstreckung einen Winkel β ≠ 0° einschließen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass α etwa 45° beträgt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rippenzug (4) eine Rippenhöhe aufweist, die in etwa 10% der Länge einer Strömungskanalwandseite entspricht.