DE2343673A1

DE2343673A1 - Stiftrippen-kuehlsystem

Info

Publication number: DE2343673A1
Application number: DE19732343673
Authority: DE
Inventors: Thomas Alvin Auxier; Ambrose Andrew Hauser
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1972-09-05
Filing date: 1973-08-30
Publication date: 1974-03-14
Also published as: DE2343673C2; FR2198054B1; US3800864A; GB1438375A; FR2198054A1; JPS4992415A; BE804142A; CA994116A; IT993054B; JPS572897B2

Description

Stiftrippen-Kühlsystem

Die Erfindung bezieht sich auf Kühlsystem^ und insbesondere auf Kühlsysteme für Gasturbinentriebwerke,

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein verbessertes Kühlsystem für erhitzte Elemente zu schaffen, die eine Strömungsbahn für heißes Gas in einem Gasturbinentriebwerk teilweise umgeben, und ein derartiges Kühlsystem mit Mitteln zu versehen, damit es einer Verunreinigung durch eingeführtes oder angesaugtes Feststoffmaterial widersteht. Das erfindungsgemäße System vermag ferner für eine lokal bestimmbare Kühlung in den einzelnen gekühlten Elementen z\x sorgen.

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Die vorgenannten und andere Aufgaben werden gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung durch einen luftgekühlten Düsenring oder eine andere wandartige Struktur gelöst, die teilweise eine Strömungsbahn für heißes Gas mit ihrer ersten Fläche bildet, die den heißen Gasstrom begrenzt, und deren zweite Fläche teilweise eine Kammer für ein kühlendes Strömungsmittel bildet. Dieses Kühlmittel ist im vorliegenden Fall Luft, wobei aber auch andere Strömungsmittel in gleicher Weise anwendbar sind. Zu der zweiten Fläche gehören zahlreiche Höcker oder Stiftrippen, die in die Kammer ragen, welche ferner von einer Verkleidung umgrenzt ist, die im Abstand zur zweiten Fläche angeordnet ist. Zahlreiche relativ große Öffnungen in der Verkleidung bilden Mittel, um Kühlluft von einem benachbarten Kühlluftkanal in die Kammer einzuführen, während Öffnungen in der Wand Mittel bilden, um die Kühlluft aus der Kammer in den heißen Gasstrom auszustoßen. Die zahlreichen Höcker dienen dem doppelten ZwRck, einmal die Turbulenz zu verstärken und andererseits die konvektive Wärmeströmungsfläche der zweiten Stirnfläche der Wand zu vergrößern. Die Kammer kann unterteilt sein, indem zahlreiche im Abstand angeordnete Rippen vorgesehen sind, die zwischen der Verkleidung und der zweiten Fläche verlaufen. Die den einzelnen Unterteilungen zugeführte Kühlmittelmenge kann gemäß lokalisierten Wärmekonzentrationen in der Wand bestimmt werden, indem die Größe und/oder Anzahl der herein- und herausführenden Öffnungen in der Verkleidung bzw. der Wand verändert wird. Zusätzliche Flexibilität kann dadurch erreicht werden, daß die Dichte der Höcker pro Flächeneinheit der gekühlten Fläche variiert wird.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Teilschnittansicht von einem Abschnitt eines die Erfindung verkörpernden Gasturbinentriebwerkes.

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Fig. 2 ist eine Schnittansicht von einem bekannten Wandkühlsystem,

Fig. 3 ist eine Schnittansicht von einem Wandkühlsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 4 ist eine Schnittansicht von einem Kühlsystem gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 5 ist eine Draufsicht auf einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Kühlsystems.

Fig. 6 ist eine Draufsicht auf einen anderen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Kühlsystems.

Fig. 7 ist eine Draufsicht auf ein Düsenringsegment mit die Erfindung verkörpernden Elementen„

Fig. 8 ist eine invertierte, perspektivische Ansicht von dem Düsenringsegment gemäß Fig. 7.

Figur 1 ist eine Teilschnittansicht von einem Gasturbinentriebwerk, das insgesamt mit 10 bezeichnet ist und einen strukturellen Rahmen 12 aufweist. Das Triebwerk umfaßt eine Verbrennungskammer 14, die zwischen einer äußeren Verkleidung 16 und einer inneren Verkleidung 18 gebildet ist. Unmittelbar stromabwärts von der Verbrennungskammer befindet sich eine Reihe von Turbineneinlaßdüsen 2O_f die durch segmentierte Düsenringe 22 (an ihrer radial äußeren Seite) und 24 (an ihrer radial inneren Seite) gehalten sind. Stromabwärts von den Düsen 20 ist eine erste Reihe Turbinenschaufeln 26 angeordnet, die von einem drehbaren Turbinenrad 28 getragen sind. Die Schaufeln 26 umgibt eine Ummantelung 30, Eine axiale Verlängerung 32 des Düsenringes 24 verläuft bis in die Nähe der Schaufeln 26. Eine axiale Verlängerung 34 der Schaufelplattform 36 ragt von den Schaufeln stromabwärts.

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Ein Stromungskanal 40 für heißes Gas ist somit zwischen den inneren und äußeren Düsenringen 24 bzw. 22 und zwischen dem axialen Vorsprung 32 des inneren Ringes, der Turbinenschaufelplattform 36 und deren Verlängerung 34 und der umgebenden Ummantelung 30 gebildet. Es wird deutlich, daß jeder dieser Teile, die an dem Strömungskanal 40 angrenzen und diesen teilweise bilden, der intensiven Hitze ausgesetzt ist, die mit den aus dem Brenner 14 austretenden Verbrennungsprodukten verbunden ist. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere auf die effektive und effiziente Kühlung dieser Teile gerichtet.

Zu diesem Zweck und in üblicher Weise werden Kühl 1 uftkanale 42 und 44 auf entsprechende Weise gegen die radial äußeren und inneren Seiten des Strömungskanales 40 gerichtet. Der Kanal 42 wird zwischen der Brennerverkleidung 16 und dem Rahmen 12 gebildet, während der Kanal 44 zwischen der Brennerverkleidung 18 und einem inneren Strukturteil 46 gebildet ist. In bekannter Weise wird den zwei Kanälen 42 und 44 von einem stromaufwärts liegenden Kompressor (nicht gezeigt) Kühlmittel zugeführt, um verschiedene luftgekühlte Elemente des Triebwerkes mit Kühlluft zu versorgen.

Das in Fig. 1 gezeigte Gasturbinentriebwerk arbeitet in üblicher Weise: Eine Luftdrucks__trömung wird in die Verbrennungskammer gerichtet, in der ein geeigneter Brennstoff verbrannt wird, dessen Verbrennungsprodukte stromabwärts von der Kammer 14 durch den Strömungskanal 40 für das heiße Gas austreten und mit den Düsen 20 und den Schaufeln 26 in Eingriff kommen. Die Strömung überträgt Energie auf die Schaufeln 26, um das Turbinenrad 28 in Drehung zu versetzen, das zum Antrieb der zugehörigen Triebwerkselemente dient. Die heiße Gasströmung tritt bei den in Fig. 1 gezeigten Relationen nach rechts aus, um für einen beachtlichen Schub nach links zu sorgen.

Das erfindungsgemäße Kühlsystem wird nun insbesondere in bezug auf den radial inneren Düsenring 24 beschrieben. Die Erfindung

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ist jedoch in gleicher Weise auf irgendwelche ähnlichen Teile anwendbar, die den Strömungskanal für das heiße Gas umgeben. Zu Beispielszwecken ist das erfindungsgemäße Kühlsystem in Fig. 1 in der Weise gezeigt, daß es nicht nur mit dem inneren Ring 24, sondern auch mit dem äußeren Ring 22, der axialen Verlängerung 32 des Ringes 24 und der Ummantelung 30 zusammenarbeitet.

Figur 2 zeigt eine bekannte Kühlvorrichtung, in der eine zu kühlende Wand 48 zu einer Verkleidung 50 gehört, in der zahlreiche Löcher 52 angeordnet sind. Durch die Löcher 52 hindurchströmende Kühlluft tritt in eine Kammer 54 ein, die zwischen der Verkleidung 50 und der Wand 48 gebildet ist, und trifft dann im wesentlichen senkrecht auf die Wand 48 auf. Aufgrund dieses Aufpralles tritt eine turbulente Strömung auf und Wärme wird durch Konvektion auf die Luft übertragen, die in dargestellter Weise stromabwärts austritt. Diese Konfiguration weist zu beanstandende bzw. nachteilige Charakteristiken, auf die das mögliche Verstopfen der Löcher 52 durch mitgetragene Feststoffteilchen zurückzuführen ist, und ferner einen von Natur aus schlechten Wirkungsgrad auf, der auf dem Unvermögen dieses Typs eines Kühlsystems beruht, die Kühlluftmenge, die zur effektiven Kühlung lokal erforderlich ist, auf wirksame Weise zu begrenzen.

Diese Probleme werden durch die vorliegende Erfindung auf effektive Weise überwunden. Die Figuren 3 und 4 stellen mehrere Merkmale der vorliegenden Erfindung in alternativen Ausführungsbeispielen dar. Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines luftgekühlten Elementes zur teilweisen Umgrenzung eines Strömungskanales für heißes Gas innerhalb eines Gasturbinentriebwerkes, ähnlich wie bei der bekannten Anordnung gemäß Fig. 2. Eine Wand 56 weist eine erste Fläche 58, die an dem Strömungskanal 40 "für das heiße Gas angrenzt, und eine zweite Fläche 62 auf, die eine Kühlluftkammer 64 teilweise umgibt. Eine Deckplatte oder Verkleidung 66 ist neben und im Abstand zur zweiten Fläche 62 angeordnet und umgrenzt weiterhin die Kammer 64. Ein Kühlluftkanal 68 wird durch

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die Verkleidung 66 umgrenzt, und eine durch die Verkleidung hindurchführende Öffnung 70 sorgt für Mittel zum Einführen von Kühlluft in die Kammer 64. Eine durch die Wand 56 hindurchführende öffnung 72, die mit seitlichem (im wesentlichen axial zum Strömungskanal 4O) und radialem Abstand zur Öffnung 7O angeordnet ist, verbindet die Kammer 64 mit dem Strömungskanal 60 für heißes Gas. Die letztgenannten Öffnungen bilden Mittel zum Ausstoßen von Kühlluft aus der Kammer in einen Film über der ersten Fläche 58, nachdem die gleiche Luft die zweite Oberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung gekühlt hat.

Gemäß einem wichtigen Merkmal der vorliegenden Erfindung arbeitet die zweite Fläche 62 mit zahlreichen Höckern oder Stiftrippen (pin-fins) 74 zusammen und trägt diese, die von der zweiten Fläche in die Kammer 64 ragen. Diese Höcker dienen dazu, die effektive konvektive Wärmestromungsflache der zweiten Fläche 62 zu vergrößern. Die Höcker üben auch die Funktion aus, die bei den bekannten Vorrichtungen durch die zahlreichen Öffnungen 52 in der Verkleidung 50 gemäß Fig. 2 erfüllt wird, daß nämlich die turbulente Luftströmung unterstützt wird. Dies wird ohne die Möglichkeit erreicht, wesentlich größere Öffnungen 70 in der Verkleidung 66 zu verwenden, um den Zugang zur Kühlluft zu schaffen. Diese größeren Öffnungen werden mit einer wesentlich kleineren Wahrscheinlichkeit durch Teile verstopft, die von dem Triebwerk aufgenommen werden, während ein effektiver Wärmeübergang beibehalten wird.

Gemäß einem weiteren Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung kann die Kammer 64 in getrennt und unabhängig gekühlte Unterteilungen 76 und 78 und 80 durch eine Vielzahl von aufrecht stehenden Rippen 82 gekühlt werden, die von der ersten Fläche 62 der Wand 56 zur Verkleidung 66 führen. Diese Unterteilungen sind voneinander im wesentlichen getrennt, wobei jede der Unterteilungen Mittel zum Einführen und Mittel zum Herausführen von

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Kühlluft aufweist, so daß die jeder Kammer zugeführte Kühlluftmenge unabhängig voneinander bestimmt werden kann, indem die relative Größe oder Anzahl der Einlaß- und Auslaßöffnungen vergrößert oder verkleinert wird.

Es ist somit durch Anwendung der vorliegenden Erfindung möglich, eine einzelne luftgekühlte Wand in eine Vielzahl unabhängig gekühlter Kammern zu unterteilen, wobei die Kühlluft jeder Kammer gemäß der erforderlichen Kühlung in dem lokalisierten Abschnitt der Struktur zugemessen wird. Dies ist eine wesentliche Verbesserung gegenüber der bekannten Konfiguration, die in Fig. 2 dargestellt ist, bei der die Menge der verwendeten Luft durch den Zustand der Wand 48 an ihrem heißesten Punkt bestimmt wird, wobei die überschüssige Luft, die über die zur Kühlung anderer Abschnitte erforderliche Luft hinausgeht, verschwendet ist.

Es ist ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß die Anordnung der Vorsprünge bzw. Hocker 74 bezüglich der Anzahl pro Flächeneinheit verändert sein kann. Dies gestattet eine dichtere Anordnung in Bereichen mit heißen Flecken oder Streifen, die zu der Wand 56 gehören, und eine weniger dichte Anordnung in Bereichen, die von derartigen Hitzekonsentrationen entfernt sind. Die Fig. 5 und 6 stellen solche Abänderungen in der Anordnung der Hocker gemäß lokalisierten Temperaturdifferenzen innerhalb"der Wand 56 dar. In Figur 5 ist die Fläche 62 der Wand 56 in einem Abschnitt dargestellt, der eine eine Kammer bildende Rippe 82 aufweist. Es kann angenommen werden, daß die durch die Wand 56 übertragene Wärme nahe der Rippe 82 größer ist und daß infolgedessen an diesem Punkt eine große Kühlkapazität erforderlich ist. Aus diesem Grunde ist eine erste Gruppe von Höckern 74, die mit A bezeichnet ist, nahe der Rippe 86 angeordnet. Die Dichte der Hocker oder Vorsprünge 74 in der Gruppe A ist groß und die verwendete Anzahl ist ebenfalls groß. Im Gegensatz dazu ist eine zweite Gruppe B von Höckern oder Vorsprüngen 74 in einem Bereich angeordnet, der als auf einer relativ

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niedrigen Temperatur liegend angenommen werden kann und somit weniger Kühlung benötigt. Die Dichte der Vorsprünge in dem Bereich B ist kleiner als in der Gruppe A und die Anzahl der benötigten Vorsprünge ist ebenfalls kleiner.

Diese Charakteristik ist ferner auch in Fig. 6 dargestellt, in der eine Gruppe von Vorsprüngen C in einem Bereich hoher Temperatur angeordnet ist, während eine zweite Gruppe D in einem Bereich niedriger^femperatur angeordnet ist.

Es wird deutlich, daß die hervorragende Flexibilität des erfindungsgemäßen Kühlsystems, die aus der Möglichkeit resultiert, die Menge der in eine gegebene Kammerunterteilung gerichteten Luft zu verändern, und ferner der Möglichkeit, die Anordnung der Vorsprünge gemäß lokalisierten Hitzekonzentrationen zu verändern, äußerst wertvoll ist bei der Gestaltung von Gasturbinentriebwerken, bei denen die optimale Ausnutzung der Kühlluft ein großer Faktor ist beim Gesamtwirkungsgrad des Triebwerkes.

Eine weitere durch die vorliegende Erfindung ermöglichte Abwandlung ist durch einen Vergleich der Figuren 3 und 4 dargestellt, wenn man unterschiedliche Abschnitte der Wand 56 betrachtet. In Figur 3 ist die Strömungsrichtung im Strömungskanal 40 für das heiße Gas durch den großen Pfeil dargestellt, und die Strömungsrichtung von Kühlluft durch die Kammer 64 ist durch die kleinen Pfeile angegeben. Dies gilt auch für Fig. 4. In Figur 3 hat die Anordnung der Einlaßöffnungen 70 und Auslaßöffnung 72 eine Kühlluftströmung in der Kammer 64 zur Folge, die die gleiche Richtung aufweist, wie die Strömung des heißen Gases im Strömungskanal 60. Dies ist als paralleler Wärmeübergang bekannt und für gewisse Wärmeübergangssituationen geeignet. Demgegenüber ist die Anordnung einer Einlaßöffnung 88 und einer Auslaßöffnung 90 gemäß Fig. 4 derart, daß die Kühlluft in der Kammer in entgegengesetzter Richtung strömt in bezug auf die Strömungsrichtung im Kanal für das heiße Gas. Dies ist als Gegenstrom-Wärmeüber-

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gang bekannt und in gewissen Situationen gegenüber dem Parallelst rom-Wärmeübergang vorzuziehen. Somit wird es durch die vorliegende Erfindung ermöglicht, einen Parallelstrom- und Gegenstrom-Wärmeübergang in unterschiedlichen Abschnitten der gleichen gekühlten Elemente vorzusehen.

Um noch einmal auf den Zusammenhang des Gasturbinentriebwerkes gemäß Figur 1 zurückzukommen, ist in den Figuren 7 und 8 ein Abschnitt eines segmentierten Düsenringes 24 gezeigt. In diesen Figuren ist das Düsenringsegment in Figur 7 von oben und in Figur 8 von unten gezeigt. Die Düsen 20 sind in der Weise gezeigt, daß sie in einem vorbestimmten Abstand von dem Ring angeordnet sind. Eine Kühlung ist erforderlich für den Bereich zwischen den Düsen, da dieser Bereich teilweise den Strömungskanal 40 für das heiße Gas gemäß Fig. 1 umgrenzt. Figur 7 stellt die mögliche Abwandlung der Anzahl und Größe der Kühlluft-Austrittsöffnungen 72 gemäß der Kühlluftmenge dar, die in gegebenen Unterteilungen der Kammer erforderlich ist. Fig. 8 stellt einen Abschnitt der Verkleidung 66 und ferner mehrere die Rippen 82 bildende Unterteilungen dar. Innerhalb der einzelnen Unterteilungen·sind zahlreiche Vorsprünge bzw. Höcker gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet. Weiterhin sind zahlreiche Eintrittsöffnungen 70 für Kühlluft dargestellt, die zu einer zweiten Unterteilung gehören. Diese entsprechenden Öffnungen dienen zur Darstellung der VariabiLität der Größe und Anzahl derartiger Öffnungen, die in bezug auf die verschiedenen Unterteilungen angeordnet werden können.

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Claims

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Ansprüche

Iy StrÖmungsmittelgekühltes Element zur teilweisen Umgrenzung eines Strömungskanales für heißes Gas in einem Gasturbinentriebwerk, gekennzeichnet durch eine Wand (56) mit ersten und zweiten Flächen (58,62), von denen die erste Fläche (58) den Strörr.ungskanal (40) für das heiße Gas umgrenzt und die zweite Fläche (62) teilweise eine Kühlmittelkammer (64) umgrenzt, Mittel (70;88) zum Einführen von Kühlmittel in die Kammer (64) und Mittel (74), die mit der zweiten Fläche (62) zur Förderung der Turbulenz im Kühlmittel in der Kammer (64) zusammenarbeiten, so daß die Wärmeübertragung von der Wand (56) auf das Kühlmittel vergrößerbar ist.

2, Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Turbulenz fördernden Mittel (74) zahlreiche im Abstand angeordnete Vorsprünge bzw. Höcker sind, die von der zweiten Fläche (62) getragen sind und in die Kammer (64) ragen.

3. Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (56) lokalisierten Hitzekonzentrationen aussetzbar ist und die Vorsprünge bzw. Höcker (74) in einer vorbestimmten Anordnung entsprechend den Hitzekonzentrationen angeordnet sind, wobei in der Nähe der Hitzekonzentrationen eine größere Anzahl von Vorsprüngen bzw. Hökkern (74) pro Flächeneinheit vorgesehen ist als in von den Hitzekonzenti'at ionen entfernten Bereichen, so daß der Wärmeübergang zwischen der Wand (56) und dem Kühlmittel zur Reduzierung der Temperaturgradienten innerhalb der Wand (56) lokal einstellbar ist.

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4. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (72;90) zum Ausstoßen von Kühlmittel aus der Kammer (64) und zum Lenken des Kühlmittels über die erste Fläche (58) vorgesehen sind.

5. Element nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Mittel (70;88) zum Einführen und die Mittel (72;90) zum Ausstoßen des Kühlmittels seitlich und radial im Abstand zueinander angeordnet sind.

6. Element nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der seitliche Abstand im wesentlichen axial zu dem Strömungskanal (40) für das heiße Gas verläuft.

7. Element nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (70) zur KCJlilmitteleinführung in axialer Richtung stromaufwärts von den Mitteln (72) zum Ausstoßen des Kühlmittels angeordnet sind, so daß ein Parallelstrom-Wärmeaustausch erzielbar ist.

8. Element nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (88) zur Kühlmitteleinführung in axialer Richtung stromabwärts von den Mitteln

(90) zum Ausstoßen des Kühlmittels angeordnet sind, so daß ein Gegenstrom-Wärmeaustausch erzielbar ist.

9. Element nach Anspruch 4, dadurch gekenn-

z ei c h η e t, daß die Kammer (64) in zahlreiche Unterteilungen (76,78,80) geteilt ist, die voneinander im wesentlichen' getrennt sind, wobei jede Unterteilung Mittel (70;88) zum Einführen und Mittel (72;90) zum Ausstoßen des Kühlmittels aufweist,"so daß die Kühlmittelmenge, die jeder der Unterteilungen zugeführt ist, unabhängig von den anderen Unterteilungen bestimmbar ist.

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10. Element nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verkleidung (66) im Abstand zur zweiten Flä-che (62) angeordnet ist und die Kammer (64) teilweise umgrenzt, zahlreiche Rippen (82) im wesentlichen zwischen der Wand (56) und der Verkleidung (66) verlaufen, die die Unterteilungen (76,78,80) begrenzt, ein Kühlmittelkanal (68) von der Verkleidung (66) begrenzt ist und die Mittel zum Einführen von Kühlmittel eine erste öffnung (70;88) bilden, die die Kammer (64) mit dem Kühlmittelkanal (68) verbindet, und die Mittel zum Ausstoßen von Kühlmittel eine zweite öffnung (72;9o) bilden, die die Kammer (64) mit dem Strömungskanal (40) für das heiße Gas verbindet,

11. Element nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Öffnungen (70; 88) eine nicht gleichförmige Größe und die zweiten Öffnungen (72;90) eine nicht gleichförmige Größe aufweisen, so daß den einzelnen Unterteilungen (76,78,80) unterschiedliche Kühlmittelmengen zuführbar sind.

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