DE2343673C2 - Kühleinrichtung - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühleinrichtung für die in einem Gasturbinentriebwerk stromabwärts vom Brenner angeordnete Strömungskanalwand gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige Kühleinrichtung ist in der US-PS 33 65 172 beschrieben. Dort sind in dem die Laufschaufein umgebenden Mantelring Kühlkanäle vorgesehen, durch die hindurch Kühlmittel von einer radial äußeren Kühlmittelkammer in die heiße Gasströmung leitbar ist. Derartige Kühlkanäle können jedoch nicht über die ganze Strömungskanalwand verteilt vorgesehen sein, da dann nicht nur zu viel Kühlmittel verbraucht, wodurch der Gesamtwirkungsgrad gesenkt wird, sondern auch die Festigkeit der Strömungskanalwand stärker beeinträchtigt würde.

Die US-PS 24 36 246 beschreibt eine Kühleinrichtung für eine Explosionsturbine, bei der die Verbrennung ganz oder teilweise innerhalb des Rotors erfolgt. Hierbei sind auf der Außenseite des Rotors im wesentlichen spiralförmig angeordnete Scheiben, Rippen oder Vorsprünge vorgesehen, die Kühlluft lüfterartig über den Rotor drücken, wenn dieser umläuft.

Ferner ist in der US-PS 36 28 880 eine Gasturbinen-Hohlschaufel beschrieben, bei der in der Hohlkammer nahe der Hinterkante die Seitenwände durch Stiftrippen miteinander verbunden sind, um die Stabilität zu verbessern. Gleichzeitig dienen diese verbindenden Stiftrippen der Temperatursteuerung, indem durch den Temperaturausgleich zwischen Druck- und Saugseite Spannungen vermieden werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kühleinrichtung der eingangs genannten Gattung derart auszugestalten, daß eine Strömungskanalwand in Abhängigkeit von den örtlich unterschiedlichen Temperaturspitzen sicher und mit gutem Wirkungsgrad ausreichend gekühlt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltunger, der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß auf einfache Weise nicht nur die Wärmeübertragungsfläche und die Turbulenz der Kühlmittelströmung für eine verbesserte Kühlwirkung vergrößert wird, sondern auch eine vielgestaltige Anpassungsmöglichkeit an die örtlich unterschiedlichen Kühlerfordernisse gegeben ist. Dabei wird die Festigkeit der Strömungskanalwand nicht nur nicht geschwächt, wie es bei Kühlmittelkanälen der Fall ist, sondern sogar noch erhöht. Gleichzeitig wird die Gefahr von Verstopfungen der Kühlmittelöffnungen und eines daraus resultierenden Ausfalls der Kühlung vermieden, da nur einzelne, aber vergrößerte Kühlmittelöffnungen erforderlich sind.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert.

F i g. 1 ist eine Teilschnittansicht von einem Abschnitt eines die erfindungsgemäße Kühleinrichtung enthaltenden Gasturbinentriebwerkes.

F i g. 2 ist eine Schnittansicht von einer Kühleinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. F i g. 3 ist eine Schnittansicht von einer Kühleinrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

F i g. 4 ist eine Draufsicht auf einen Abschnitt einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung.

F i g. 5 ist eine Draufsicht auf einen anderen Abschnitt einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung.

Fig.6 ist eine Draufsicht auf ein Düsenringsegment mit einer Kühleinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

F i g. 7 ist eine perspektivische Ansicht des Düsenringsegmentes gemäß F i g. 6 von unten.

F i g. 1 ist eine Teilschnittansicht von einem Gasturbinentriebwerk 10 mit einem Rahmen 12. Das Triebwerk umfaßt eine Brennkammer 14, die zwischen einer äußeren Verkleidung 16 und einer inneren Verkleidung 18 gebildet ist. Unmittelbar stromabwärts von der Brennkammer befindet sich eine Reihe von Turbineneinlaßdüsen 20, 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 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.

Ein Strömungskanal 40 für heiße Gase ist somit zwischen den inneren und äußeren Düsenringen 24 bzw. 22 und zwischen der axialen Verlängerung 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 der Brennkammer 14 austretenden Verbrennungsprodukten verbunden ist. Deshalb müssen diese Teile effektiv und effizient gekühlt werden.

Zu diesem Zweck sind in üblicher Weise Kühlluftka-

näle 42 und 44 auf entsprechende Weise auf die radial äußeren und inneren Seiten des Strömungskanals 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.

Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung wird nun insbesondere in Verbindung mit dem radial inneren Düsenring 24 beschrieben. In gleicher Weise können jedoch auch ähnliche Teile gekühlt werden, die den Strömungskanal für das heiße Gas umgeben. Zu Beispielszwecken ist die erfindungsgemäße Kühleinrichtung in F i g. 1 in der Weise gezeigt, daß sie 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.

F i g. 2 und 3 stellen alternative Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. F i g. 2 zeigt eine Querschnitlsansicht eines luftgekühlten Elementes zur teilweisen Umgrenzung eines Strömungskanals innerhalb eines Gasturbinentriebwerkes. Eine Wand 56 weist eine Innenfläche 58, die an dem Strömungskanal 40 für das heiße Gas angrenzt, und eine Außenfläche 62 auf, die eine Kühlluftkammer 64 teilweise umgibt. Eine Deckplatte oder Verkleidung 66 ist neben und im Abstand zur Außenfläche 62 angeordnet und umgrenzt weiterhin die Kammer 64. Ein Kühlluftkanal 68 wird durch 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 40) und radialem Abstand zur Öffnung 70 angeordnet ist, verbindet die Kammer 64 mit dem Heißgaskanal 40. Diese öffnungen gestatten ein Ausstoßen von Kühlluft aus der Kammer in einem Film über der Innenfläche 58, nachdem die gleiche Luft die Außenfläche 62 gekühlt hat.

Gemäß einem wesentlichen Merkmal der Erfindung arbeitet die Außenfläche 62 mit zahlreichen Vorsprüngen oder Stiftrippen 74 zusammen, die von der Außenfläche 62 in die Kammer 64 ragen. Diese Vorsprünge 74 dienen dazu, die wirksame konvektive Wärmeübertragungsfläche zu vergrößern und die Turbulenz der Luftströmung zu fördern. Dabei können wesentlich größere öffnungen 70 in der Verkleidung 66 verwendet werden, um Kühlluft zuzuführen. 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 wesentlichen Merkmal der Erfindung kann die Kammer 64 in getrennt und unabhängig gekühlte Abschnitte 76 und 78 und 80 durch mehrere aufrechtstehende Trennwände 82 gekühlt werden, die von der Außenfläche 62 der Wand 56 zur Verkleidung 66 führen. Diese Abschnitte sind voneinander im wesentlichen getrennt, wobei jeder Abschnitt Mittel zum Ein- und Abführen von Kühlluft aufweist, so daß die jeder Kammer zugeführte Kühlluftmenge unabhängig voneinander gesteuert werden kann, indem die relative Größe der Anzahl der Ein- und Auslaßöffnungen vergrößert oder verkleinert wird.

Es ist somit möglich, eine einzelne luftgekühlte Wand in eine Vielzahl unabhängig gekühlter Kammern zi unterteilen, wobei die Kühlluft jeder Kammer gemäC der erforderlichen Kühlung in dem lokalisierter Abschnitt zugemessen wird.

Es ist ferner wesentlich, daß die Anordnung dei Vorsprünge bzw. Stiftrippen 74 bezüglich der Anzah pro Flächeneinheit verändert werden kann. Dies gestattet eine dichtere Anordnung in Bereichen mil heißen Recken oder Streifen auf der Wand 56 und eine ic weniger dichte Anordnung w Bereichen, die vor derartigen Hitzekonzentrationen entfernt sind. Fig.A und 5 stellen solche Abänderungen in der Anordnung der Vorsprünge gemäß örtlichen Temperaturdifferenzen innerhalb der Wand 56 dar. In Fig.4 ist die π Außenfläche 62 der Wand 56 in einem Abschnitt dargestellt, der eine eine Kammer bildende Trennwand 82 aufweist. Es kann angenommen werden, daß die durch die Wand 56 übertragene Wärme nahe der Trennwand 82 größer ist und daß infolgedessen an diesem Punkt eine große Kühlkapazität erforderlich ist. Aus diesem Grund ist eine erste Gruppe von Vorsprüngen 74, die mit A bezeichnet ist, nahe der Trennwand 82 angeordnet Die Dichte der Vorsprünge 74 in der Gruppe A ist groß und die verwendete Anzahl ist ebenfalls groß. Im Gegensatz dazu ist eine zweite Gruppe B von Vorsprüngen 74 in einem Bereich angeordnet, der als auf einer relativ niedrigen Temperatur liegend angenommen werden kann und somit weniger Kühlung benötigt. Die Dichte der κι Vorsprünge in dem Bereich B ist kleiner als in der Gruppe A und die Anzahl der benötigten Vorsprünge ist ebenfalls kleiner.

Diese Charakteristik ist auch in F i g. 5 dargestellt, in

der eine Gruppe von Vorsprüngen C in einem Bereich

J5 hoher Temperatur angeordnet ist, während eine zweite Gruppe D in einem Bereich niedrigerer Temperatur angeordnet ist.

Es wird somit eine hervorragende Flexibilität erreicht, indem die Menge der in einen Kammerabschnitt eingeführten Luft und ferner die Anordnung der Vorsprünge gemäß örtlichen Hitzekonzentrationen verändert wird. Dies ist äußerst wichtig bei Gasturbinentriebwerken, bei denen die optimale Ausnutzung der Kühlluft ein wesentlicher Faktor für den Gesamtwirkungsgrad des Triebwerkes ist.

Eine weitere Ausführungsform wird durch einen Vergleich der Fig. 2 und 3 deutlich, wenn man unterschiedliche Abschnitte der Wand 56 betrachtet. In Fi g. 2 ist die Strömungsrichtung im Strömungskanal 40 durch den großen Pfeil dargestellt, und die Strömungsrichtung von Kühlluft durch die Kammer 64 ist durch die kleinen Pfeile angegeben. Dies gilt auch für F i g. 3. In F i g. 2 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 kann als parallele Wärmeübertragung bezeichnet werden und ist für gewisse Wärmeübertragungsfälle geeignet. Demgegenüber ist die Anordnung einer Einlaßöffnung 88 und einer Auslaßöffnung 90 gemäß F i g. 3 so, daß die Kühlluft in der Kammer in bezug auf den Strömungskanal 40 in entgegengesetzter Richtung strömt. Dies kann als Gegenstrom-Wärmeübertragung bezeichnet und in gewissen Fällen gegenüber der b5 Parallelstrom-Wärmeübertragung vorzuziehen sein. Es kam. auch eine Parallelstrom- und eine Gegenstrom-Wärmeübertragung in unterschiedlichen Abschnitten der gleichen gekühlten Strömungskanalwand verwen-

det werden.

Um noch einmal auf den Zusammenhang des Gasturbinentriebwerkes gemäß Fig. 1 zurückzukommen, ist in den Fig.6 und 7 ein Abschnitt eines segmentierten Düsenringes 24 gezeigt. In diesen Figuren ist das Düsenringsegment in Fig. 6 von oben und in Fig. 7 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 F i g. 1 umgrenzt. F i g. 6 stellt die mögliche Abwandlung der Anzahl und Größe der Kühlluft-Austrittsöffnungen 72 gemäß der Kühlluftmenge dar, die in den jeweiligen Abschnitten der Kammer erforderlich ist. F i g. 7 stellt einen Teil der Verkleidung 66 und ferner mehrere die Abschnitte bildende Trennwände 82 dar. Innerhalb der einzelnen Abschnitte sind zahlreiche Vorsprünge bzw. Stiftrippen 74 angeordnet. Weiterhin sind zahlreiche Eintrittsöffnungen 70 für Kühlluft dargestellt, die zu einem zweiten Abschnitt gehören. Diese Öffnungen verdeutlichen die Variabilität der Größe und Anzahl derartiger Öffnungen, die in bezug auf die verschiedenen Abschnitte angeordnet werden können.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

ratentansprüche:

1. Kühleinrichtung für die in einem Gasturbinentriebwerk stromabwärts vom Brenner angeordnete Strömungskanalwand, die an ihrer Innenfläche mit heißen Gasen beaufschlagt ist und mit ihrer Außenfläche eine Kühlmittelkammer begrenzt, wobei von der Außenfläche Kühlkörper in die Kühlmittelkammer hineinragen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkörper als zahlreiehe Vorsprünge bzw. Stiftrippen (74) ausgebildet sind, deren Anzahl und Anordnung in der Kühlmittelkammer (64) an die jeweiligen Kühlerfordernisse anpaßbar sind.

2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Kühlmittelkammer durch Einlaßöffnungen in der der Außenfläche gegenüberliegenden Wand Kühlmittel zuführbar ist, das durch Auslaßöffnungen in der Strömungskanalwand abführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß durch entsprechende Anordnung der Einlaß- und Auslaßöffnungen (70,72; 88,90) eine Durchströmung der Kiihlmittelkammer (64) im Gleich- oder Gegenstrom zu den heißen Gasen bewirkt wird (F i g. 3 und 4).

3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelkammer (64) durch Trennwände (82) in Abschnitte (76,78,80) unterteilt ist, denen entsprechend den Größen ihrer Ein- und Auslaßöffnungen (70, 72) gewünschte Kühlmittelmengen zuführbar sind. w