DE4328294A1 - Verfahren zur Kühlung eines Bauteils sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Kühlung eines Bauteils sowie Vorrichtung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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- F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
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- F23R3/002—Wall structures
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Ma
schinenbaus, insbesondere der thermischen Maschinen. Sie be
trifft ein Verfahren zur Kühlung eines thermisch belasteten
Bauteils mit einer flächigen Außenwand, bei welchem Verfah
ren in einem ersten Kühlungsabschnitt des Bauteils Kühlluft
durch eine Kühlluftzufuhr in Richtung auf die Außenwand zu
geführt und vor der Außenwand seitlich umgelenkt und in ei
nem zweiten Kühlungsabschnitt in einem seitlich anschließenden
Kühlluftkanal zwecks weiterer Kühlung parallel zur Außenwand
weitergeführt wird.
Ein solches Verfahren ist z. B. zur Kühlung des Heißgasgehäuses
bzw. Turbineneintritts einer Gasturbine aus der Deutschen
Offenlegungsschrift DE-A1 28 36 539 bekannt.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durch
führung des Verfahrens.
Bei thermisch belasteten Bauteilen von Maschinen, beispiels
weise den Schalen des Heißgasgehäuses bzw. des Turbinenein
tritts einer Gasturbine wird häufig eine Kühlung mittels
Kühlluft vorgesehen. Die Kühlluft strömt dabei (Fig. 1)
zwecks konvektiver Kühlung parallel zur Außenwand 2 des Bau
teils 1 in einem Kühlluftkanal 3 an der Außenwand 2 entlang.
Der Kühlluftkanal 3 wird z. B. durch die Außenwand 2 und eine
die Außenwand 2 in einem Abstand umgebende Kanalwand 6 in
Form eines Leitblechs gebildet.
Die Kühlluft stammt bei der Gasturbine üblicherweise aus dem
Verdichterteil und strömt aus dem sogenannten Plenum, welches
das Heißgasgehäuse umgibt, in den Kühlluftkanal 3 ein. Zu
diesem Zweck ist meist am Eingang des Kühlluftkanals 3 zwi
schen der Kanalwand 6 und der gegenüberliegenden Begrenzungs
wand 4 eine spaltförmige Öffnung als Kühlluftzufuhr 5 frei
gelassen, durch welche die Kühlluft in den Kühlluftkanal 3
eintreten kann. Aufgrund der vorliegenden Geometrie besitzt
die Kühlluft im Bereich der Kühlluftzufuhr 5 in der Regel ei
ne senkrechte Geschwindigkeitskomponente, so daß die Kühl
luft mehr oder weniger stark vor dem Eintritt in den Kühl
luftkanal 3 auf die Außenwand 2 des Bauteils 1 aufprallt und
erst anschließend in den seitlich abgehenden Kühlluftkanal 3
umgelenkt wird.
Das Aufprallen hat einerseits eine besonders wirksame Prall
kühlung an der Außenwand 2 zur Folge, und andererseits er
gibt sich im Staupunkt der auftreffenden Kühlluft gar keine
Kühlung, so daß in einem ersten Kühlungsabschnitt A, in wel
chem diese Prallkühlung abläuft, das Bauteil 1 sehr inhomogen
gekühlt wird. Durch diese inhomogene Kühlung kommt es zu zu
sätzlichen Belastungen des Bauteils, die im Allgemeinen uner
wünscht ist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben,
welches bei der eingangs genannten Art der Kühlung zu einer
Homogenisierung der Kühlungsverhältnisse führt, sowie eine
Vorrichtung zur Durchführung diese Verfahrens vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, daß zur Verringerung der Prallkühlung im
ersten Kühlungsabschnitt der aus der Kühlluftzufuhr kommende
Kühlluftstrom in einen Hauptstrom und einen Bypass-Strom auf
geteilt wird, der Hauptstrom direkt an der Außenwand des
Bauteils entlang zum Kühlluftkanal geführt wird, der Bypass-
Strom ohne Kontakt mit der Außenwand zum Kühlluftkanal ge
führt wird, und beide Teilströme am Eingang des Kühlluftka
nals wieder zusammengeführt werden.
Der Kern der Erfindung besteht darin, durch eine wählbare
Aufteilung der gesamten Kühlluft in einen ersten Teilstrom,
der an der Prallkühlung teilnimmt, und einen zweiten Teilstrom,
der ohne Prallkühlung direkt in den Kühlluftkanal
überführt wird, die Kühlung im ersten Kühlungsabschnitt an
die Kühlung im zweiten Kühlungsabschnitt anpaßbar zu gestal
ten.
Ein besonders gleichmäßiger Übergang zwischen den beiden
Abschnitten wird erreicht, wenn gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens der Haupt
strom additiv aus einer Mehrzahl von kleinen Teilströmen zu
sammengesetzt wird, die über den ersten Kühlungsabschnitt
verteilt aus dem ankommenden Kühlluftstrom abgezweigt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Ver
fahrens zeichnet sich dadurch aus, daß
- (a) vom Anfang des Kühlluftkanals bis in den Bereich der Kühlluftzufuhr hinein parallel zur Außenwand und in ei nem Abstand davon eine Zwischenwand angeordnet ist, wel che Zwischenwand den Raum zwischen der Kühlluftzufuhr und dem Kühlluftkanal in einen Hauptkanal und einen dazu parallel verlaufenden Bypasskanal unterteilt; wobei
- (b) der Hauptkanal von der Außenwand des Bauteils und der Zwischenwand gebildet wird; und
- (c) der Bypasskanal außerhalb der Zwischenwand verläuft.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemaßen
Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die Zwischenwand
soweit in den Bereich der Kühlluftzufuhr hineinreicht, daß
sie mit der gegenüberliegenden Begrenzungswand der Kühlluft
zufuhr eine Zuführungsöffnung bildet, deren Breite kleiner
ist als die Breite der Kühlluftzufuhr. Hierdurch läßt sich
die Kühleffektivität im ersten Kühlungsabschnitt besonders
einfach durch die Wahl einer einzigen Breite festlegen.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß in der Zwischen
wand eine Vielzahl von nebeneinanderliegenden Löchern vorge
sehen sind, durch welche Kühlluft in den Hauptkanal strömen
kann. Hierdurch ergibt sich ein besonders gleichmäßiger Übergang
zwischen den beiden Kühlungsabschnitten.
Eine dritte bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch
aus, daß das Bauteil ein thermisch belastetes Teil einer
Gasturbine ist, daß die Gasturbine einen Turbinenteil, eine
Brennkammer und einen von der Brennkammer zum Turbinenteil
führenden Turbineneintritt aufweist, welcher Turbineneintritt
die heißen Brenngase führt und aus einer Innenschale und ei
ner Außenschale gebildet wird, und daß das gekühlte Bauteil
die Innenschale und/oder die Außenschale des Turbinenein
tritts ist. In einer Gasturbine lassen sich mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung besonders günstige Kühlungsverhält
nisse erzielen.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen An
sprüchen.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie
len im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden.
Es zeigen
Fig. 1 das Schema einer herkömmlichen Luftkühlung mit über
wiegender Prallkühlung im ersten Kühlabschnitt und
reiner Konvektionskühlung im zweiten Kühlungsab
schnitt;
Fig. 2 das Schema eines ersten Ausführungsbeispiels der Vor
richtung nach der Erfindung mit senkrechtem Auftref
fen der Kühlluft und gelochter Zwischenwand;
Fig. 3 ein zu Fig. 2 vergleichbares Schema mit einem Umlenk
winkel < 90°;
Fig. 4 ein zu Fig. 2 vergleichbares Schema mit einem Umlenk
winkel < 90°;
Fig. 5 im Längsschnitt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Kühlung an der Außenschale des Turbi
neneintritts einer Gasturbine; und
Fig. 6 im Längsschnitt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Kühlung an der Innenschale des Turbi
neneintritts einer Gasturbine.
In Fig. 1 ist ein stark vereinfachtes Schema einer herkömmli
chen Kühlung ausschnittweise wiedergegeben, an dem das der
vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem erläutert
werden kann. Ausgangspunkt ist ein thermisch belastetes Bau
teil 1, z. B. eine Schale oder Wand, die durch einen Strom von
Kühlluft gekühlt werden soll. Zu diesem Zweck wird außerhalb
des Bauteils 1 eine parallel zur Außenwand 2 des Bauteils 1
verlaufende und von der Außenwand 2 beabstandete Kanalwand 6
vorgesehen, die zusammen mit der Außenwand 2 einen Kühlluft
kanal 3 bildet. Die Kühlluft strömt weitgehend parallel zur
Außenwand 2 durch den Kühlluftkanal 3 und kühlt das Bauteil
1 durch konvektive Kühlung (die Kühlluftströme sind durch die
eingezeichneten Pfeile angedeutet).
Die Kühlluft für den Kühlluftkanal 3 wird aus einer nicht
dargestellten Quelle entlang einer Begrenzungswand 4 durch
eine Kühlluftzufuhr 5 zugeführt. Die Zuführung geschieht da
bei üblicherweise so, daß die Kühlluft senkrecht oder zumin
dest mit einer senkrechten Geschwindigkeitskomponente auf die
Außenwand 2 prallt, seitlich umgelenkt wird und in den seit
lich anschließenden Kühlluftkanal 3 einströmt. Der zuge
führte Massenstrom dme/dt (in der Fig. 1 ebenso wie in den
weiteren Fig. 2 bis 4 sind die zeitlichen Ableitungen der
Massen m aus Platzgründen in bekannter Weise mit einem dar
übergesetzten Punkt abgekürzt) wird dabei unverändert als
ausgehender Massenstrom dma/dt in den Kühlluftkanal 3 einge
speist.
Bedingt durch die Geometrie der Kühlluftzuführung ergibt sich
bei dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau in einem ersten Küh
lungsabschnitt A, der direkt gegenüber der Kühlluftzufuhr 5
liegt, eine sehr effektive Prallkühlung, während in einem an
grenzenden zweiten Kühlungsabschnitt B, der mit dem Bereich
des Kühlluftkanals 3 zusammenfällt, eine weniger effektive
konvektive Kühlung vorherrscht. Diese unterschiedlichen Kühl
effektivitäten haben zur Folge, daß das Bauteil 1 insgesamt
sehr inhomogen gekühlt wird, d. h., im ersten Kühlungsab
schnitt A eine deutlich geringere Temperatur aufweist als im
Kühlungsabschnitt B.
Die vorliegende Erfindung gibt nun an, auf welche Weise diese
Inhomogenitäten einfach und wirkungsvoll verringert bzw. ganz
beseitigt werden können. Der Kern der Erfindung kann anhand
der Darstellung aus Fig. 2 deutlich gemacht werden, die eine
zu Fig. 1 vergleichbare schematisierte Kühlungseinrichtung
zeigt. Hier wird der ankommende Kühlluftstrom dme/dt hinter
der Kühlluftzufuhr 5 aufgeteilt in einen Hauptstrom (dm₁/dt)
und einen Bypass-Strom (dm₂/dt). Während der Hauptstrom in
einem Hauptkanal 11 zunächst direkt in Kontakt mit der Außenwand
2 gebracht und anschließend in den Kühlluftkanal 3
eingespeist wird, wird der Bypass-Strom durch einen Bypasska
nal 8 an der Außenwand 2 vorbei direkt zum Eingang des Kühl
luftkanals 3 geführt. Auf diese Weise kann der Anteil der
Prallkühlung reduziert, definiert eingestellt oder ganz zum
Verschwinden gebracht werden.
Die Auftrennung des Raumes zwischen der Kühlluftzufuhr 5 und
dem Eingang des Kühlluftkanals 3 erfolgt vorteilhafterweise
durch eine Zwischenwand 7, die beispielsweise parallel zur
Außenwand 2 und in einem Abstand davon angeordnet ist. Die
Zwischenwand 7 reicht dabei vom Anfang des Kühlluftkanals 3
bis in den Bereich der Kühlluftzufuhr 5 hinein und endet in
einer bevorzugten Ausführungsform in einem Abstand vor der
gegenüberliegenden Begrenzungswand 4, so daß sich für den
Hauptstrom eine Zuführungsöffnung 10 mit einer Breite C er
gibt, welche kleiner ist als die Breite D der Kühlluftzufuhr
5. Die Kanalwand 6 erweitert sich zweckmäßigerweise zu Be
ginn des Kühlluftkanals 3 und überlappt mit dem erweiterten
Bereich die Zwischenwand 7, deren Abstand zur Außenwand 2
vorzugsweise geringer ist als der entsprechende Abstand der
Kanalwand 6. Hierdurch ist auf einfache Weise sichergestellt,
daß Haupt- und Bypass-Strom dem Kühlluftkanal 3 zugeführt
werden. Die Größe des Hauptstromes im Verhältnis zum gesam
ten Kühlluftstrom richtet sich in diesem Fall nach dem Ver
hältnis der Breite C der Zuführungsöffnung 10 zur Breite D
der Kühlluftzufuhr 5 und kann leicht den Erfordernissen angepaßt
werden.
Zusätzlich oder alternativ zur Zuführungsöffnung 10 können in
der Zwischenwand 7 verteilt angeordnete Löcher 9 vorgesehen
werden, durch die ein Massenstrom dm₃/dt in Form von kleinen
Teil strömen sukzessive aus dem Bypasskanal 8 in den Hauptka
nal 11 übertritt. Für die Einstellung der Kühlungseffektivi
tät im Umlenkgebiet stehen dann als Parameter auch die Loch
dichte und die Größe und Tiefe der einzelnen Löcher 9 zur
Verfügung. Die Zwischenwand 7, die üblicherweise als Blech
teil ausgeführt ist, wirkt dann als Bypass- oder Prallblech.
Während im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 der eingeschlossene
Winkel zwischen der Begrenzungswand 4 und der Außenwand 2
des Bauteils 1 90° beträgt und damit die zugeführte Kühlluft
praktisch senkrecht auf die Außenwand auftrifft, läßt sich
die Erfindung allgemeiner auch in den Fällen anwenden, in de
nen der eingeschlossene Winkel von 90° abweicht, d. h. entwe
der stumpf (z. B. bis 170°) oder spitz (z. B. bis 10°) ist.
Beide Fälle sind andeutungsweise in den Fig. 3 und 4 wieder
gegeben. Es versteht sich von selbst, daß in diesen Fällen,
insbesondere beim stumpfen Winkel, die Prallkühlung weniger
stark ausgeprägt ist, weil die dafür maßgebliche Geschwin
digkeitskomponente der Strömung senkrecht zur Außenwand 2
entsprechend geringer ist.
Besonders vorteilhaft läßt sich die erfindungsgemäße Homo
genisierung der Kühlung bei thermisch belasteten Bauteilen
von Gasturbinen, insbesondere den Schalen des zwischen Brenn
kammer und Turbinenteil angeordneten Turbineneintritts, an
wenden. Ausführungsbeispiele für eine solche Anwendung sind
in der Fig. 5 (Außenschale des Turbineneintritts) und in der
Fig. 6 (Innenschale des Turbineneintritts) wiedergegeben.
Der in Fig. 5 im Längsschnitt (ausschnittweise) dargestellte
äußere Teil eines Turbineneintritts 13 umfaßt die Außen
schale 24 als zu kühlendes Bauteil. Die Außenschale 24 be
grenzt nach außen hin den Raum, durch welchen die heißen
Gase (in der Figur von rechts nach links) von der Brennkammer
in den Turbinenteil geleitet werden. Die Außenschale 24 ist
außen von einem Leitblech 19 umgeben, welches mittels Ab
standshaltern 20 an der Außenschale 24 abgestützt ist und in
einem durch die Abstandshalter 20 festgelegten Abstand annä
hernd parallel zur Schale verläuft. Zwischen dem Leitblech 19
und der Außenwand 22 der Außenschale 24 liegt der Kühlluft
kanal 23, durch den Kühlluft an der Außenschale 24 entlang
strömt.
Die Außenschale 24 geht an ihrem dem Turbinenteil zugewand
ten Ende in ein inneres Segmentlager 18 über, in welchem in
ringförmiger Anordnung eine Vielzahl von Dichtsegmenten 17
mit einem entsprechend ausgebildeten Fußteil gelagert sind.
Auf der anderen Seite werden die Dichtsegmente 17 in einem
äußeren Segmentlager 15 gelagert, welches Teil eines Schau
felträgers 14 ist, der die nicht eingezeichneten Leitschau
feln des Turbinenteils trägt.
Die Außenschale 24 mit dem Leitblech 19 ist außen vom soge
nannten Plenum 12 der Turbine umgeben, in welchem sich ver
dichtete Luft aus dem Verdichterteil befindet, die sowohl als
Verbrennungsluft, als auch als Kühlluft verwendet wird. Aus
dem Plenum 12 strömt die Kühlluft zur Kühlung der Außen
schale 24 in den Kühlluftkanal 23, wobei sie umgelenkt wird.
Die Dichtsegmente 17 übernehmen dabei die Funktion der Be
grenzungswand 4 aus den Fig. 1 bis 4. Sie bilden mit der Außenschale
24 im dargestellten Beispiel einen rechten Winkel
(vergleichbar zur in Fig. 2 dargestellten Situation). Damit
die Kühlluft im Umlenkgebiet nicht übermäßig auf die Außen
schale 24 aufprallt, ist dort eine Zwischenwand 27 in Form
eines Bleches angeordnet. Die Zwischenwand 27 verläuft paral
lel zur Außenwand 22 der Außenschale und zwar in einem Ab
stand, der kleiner ist als der Abstand des Leitbleches 19.
Sie stützt sich ebenfalls mittels Abstandshaltern 21 an der
Außenschale 24 ab und definiert zwischen sich und der Außenwand
22 den Hauptkanal 26.
Die Zwischenwand 27 reicht an ihrem einen Ende nicht ganz an
die gegenüberliegenden Dichtsegmente 17 heran, so daß durch
den dortigen Spalt, welcher der Zuführungsöffnung 10 aus den
Fig. 2 bis 4 entspricht, Kühlluft in den Hauptkanal 26 ein
strömen kann. Am anderen Ende reicht die Zwischenwand 27 bis
in die Öffnung des Kühlluftkanals 23 hinein, so daß zwi
schen der Zwischenwand 27 und dem Anfang des Leitblechs 19
ein kurzer Bypasskanal 41 gebildet wird. Eine stabile Befe
stigung in diesem Bereich kann für die Zwischenwand 27 da
durch erreicht werden, daß ein Endabschnitt des Bleches, der
mit dem übrigen Blech über eine Lasche 25 verbunden ist,
hochgebogen und zusammen mit dem Anfang des Leitbleches 19 an
den Abstandshaltern 20 fixiert wird. Die Zwischenwand 27 ist
in diesem Ausführungsbeispiel im übrigen mit gleichmäßig
verteilten Löchern 28 versehen, durch die Kühlluft in kleinen
Teilströmen in den Hauptkanal 26 gelangen kann.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips bei der Innen
schale des Turbineneintritts 13 ist als Ausführungsbeispiel
in der Fig. 6 dargestellt. Die Innenschale 29 umgibt das Tur
binengehäuse 39. In dem Turbinengehäuse ist eine kanalartige
Kühlluftzufuhr 40 vorgesehen, durch die Kühlluft auf die Außenwand
35 der Innenschale 29 strömt. Die eigentliche Kühlung
erfolgt wiederum in einem Kühlluftkanal 36, der von der In
nenschale 29 und einem sie in einem Abstand umgebenden Leit
blech 37 gebildet wird. Zur Reduzierung der Prallkühlung im
Umlenkbereich dient hier wiederum eine Zwischenwand 32 aus
Blech, die vorzugsweise parallel zur Innenschale 29 verläuft
und einen geringeren Abstand von ihr hat als das Leitblech
37. Sowohl die Zwischenwand 32 als auch das Leitblech 37
stützen sich über Abstandshalter 30, 33 bzw. 38 an der Innen
schale 29 ab.
Die Zwischenwand 32 begrenzt einerseits den Hauptkanal 31.
Andererseits überlappt sie wiederum mit dem Leitblech 37 un
ter Bildung eines kurzen Bypasskanals 34. Löcher sind in die
sem Beispiel in der Zwischenwand nicht vorgesehen, können
aber ohne weiteres zusätzlich eingebracht werden, um die
Kühlwirkung im Umlenkgebiet zu verstärken.
Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung ein wirksames Mittel,
um bei thermisch belasteten Bauteilen, bei denen eine von
außen kommende Kühlluft in einen parallel zur Bauteilober
fläche verlaufenden Kühlluftkanal umgelenkt werden muß, eine
Homogenisierung der Kühlung zu erreichen.
Bezugszeichenliste
1 Bauteil
2 Außenwand (Bauteil)
3, 23, 36 Kühlluftkanal
4 Begrenzungswand
5, 40 Kühlluftzufuhr
6 Kanalwand
7, 27, 32 Zwischenwand
8, 16, 34 Bypasskanal
9, 28 Loch (Zwischenwand)
10 Zuführungsöffnung
11, 26, 31 Hauptkanal
12 Plenum
13 Turbineneintritt
14 Schaufelträger
15 Segmentlager (außen)
17 Dichtsegment
18 Segmentlager (innen)
19 Leitblech (Außenschale)
20 Abstandshalter (Leitblech)
21 Abstandshalter (Zwischenwand)
22 Außenwand (Außenschale)
24 Außenschale (Turbineneintritt)
25 Lasche
29 Innenschale (Turbineneintritt)
30, 33 Abstandshalter (Zwischenwand)
35 Außenwand (Innenschale)
37 Leitblech (Innenschale)
38 Abstandshalter (Leitblech)
39 Turbinengehäuse
A, B Kühlungsabschnitt
C Breite (Zuführungsöffnung 10)
D Breite (Kühlluftzufuhr 5)
dma/dt Massenstrom (Ausgang)
dme/dt Massenstrom (Eingang)
dm₁/dt Massenstrom (Hauptkanal)
dm₂/dt Massenstrom (Bypass)
dm₃/dt Massenstrom (Löcher).
2 Außenwand (Bauteil)
3, 23, 36 Kühlluftkanal
4 Begrenzungswand
5, 40 Kühlluftzufuhr
6 Kanalwand
7, 27, 32 Zwischenwand
8, 16, 34 Bypasskanal
9, 28 Loch (Zwischenwand)
10 Zuführungsöffnung
11, 26, 31 Hauptkanal
12 Plenum
13 Turbineneintritt
14 Schaufelträger
15 Segmentlager (außen)
17 Dichtsegment
18 Segmentlager (innen)
19 Leitblech (Außenschale)
20 Abstandshalter (Leitblech)
21 Abstandshalter (Zwischenwand)
22 Außenwand (Außenschale)
24 Außenschale (Turbineneintritt)
25 Lasche
29 Innenschale (Turbineneintritt)
30, 33 Abstandshalter (Zwischenwand)
35 Außenwand (Innenschale)
37 Leitblech (Innenschale)
38 Abstandshalter (Leitblech)
39 Turbinengehäuse
A, B Kühlungsabschnitt
C Breite (Zuführungsöffnung 10)
D Breite (Kühlluftzufuhr 5)
dma/dt Massenstrom (Ausgang)
dme/dt Massenstrom (Eingang)
dm₁/dt Massenstrom (Hauptkanal)
dm₂/dt Massenstrom (Bypass)
dm₃/dt Massenstrom (Löcher).
Claims (13)
1. Verfahren zur Kühlung eines thermisch belasteten Bauteils
(1) mit einer flächigen Außenwand (2), bei welchem Verfahren
in einem ersten Kühlungsabschnitt (A) des Bauteils (1) Kühl
luft durch eine Kühlluftzufuhr (5) in Richtung auf die Außenwand
(2) zugeführt und vor der Außenwand (2) seitlich um
gelenkt und in einem zweiten Kühlungsabschnitt (B) in einem
seitlich anschließenden Kühlluftkanal (3) zwecks weiterer
Kühlung parallel zur Außenwand (2) weitergeführt wird, da
durch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Prallkühlung
im ersten Kühlungsabschnitt (A) der aus der Kühlluftzufuhr
(5) kommende Kühlluftstrom in einen Hauptstrom und einen By
pass-Strom aufgeteilt wird, der Hauptstrom direkt an der Außenwand
(2) des Bauteils (1) entlang zum Kühlluftkanal (3)
geführt wird, der Bypass-Strom ohne Kontakt mit der Außen
wand (2) zum Kühlluftkanal (3) geführt wird, und beide Teil
ströme am Eingang des Kühlluftkanals (3) wieder zusammenge
führt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Hauptstrom als einzelner, zusammenhängender Strom aus dem
ankommenden Kühlluftstrom abgezweigt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Hauptstrom additiv aus einer Mehrzahl von kleinen Teil
strömen zusammengesetzt wird, die über den ersten Kühlungsab
schnitt verteilt aus dem ankommenden Kühlluftstrom abgezweigt
werden.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß
- (a) vom Anfang des Kühlluftkanals (3) bis in den Bereich der Kühlluftzufuhr (5) hinein parallel zur Außenwand (2) und in einem Abstand davon eine Zwischenwand (7) ange ordnet ist, welche Zwischenwand (7) den Raum zwischen der Kühlluftzufuhr (5) und dem Kühlluftkanal (3) in ei nen Hauptkanal (11) und einen dazu parallel verlaufenden Bypasskanal (8) unterteilt; wobei
- (b) der Hauptkanal (11) von der Außenwand (2) des Bauteils (1) und der Zwischenwand (7) gebildet wird; und
- (c) der Bypasskanal (8) außerhalb der Zwischenwand (7) ver läuft.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zwischenwand (7) soweit in den Bereich der Kühlluftzufuhr
(5) hineinreicht, daß sie mit der gegenüberliegenden Begren
zungswand (4) der Kühlluftzufuhr (5) eine Zuführungsöffnung
(10) bildet, deren Breite (C) kleiner ist als die Breite (D)
der Kühlluftzufuhr (5).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verhältnis der Kühlluft-Massenströme im Hauptkanal (11)
und im Bypasskanal (8) ausschließlich durch die Breite (C)
der Zuführungsöffnung (10) eingestellt wird.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß in der Zwischenwand (7) eine Vielzahl von
nebeneinanderliegenden Löchern (9) vorgesehen sind, durch
welche Kühlluft in den Hauptkanal (11) strömen kann.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Abstand der Zwischenwand (7) von der
Außenwand (2) des Bauteils (1) geringer ist, als der Abstand
zwischen der Außenwand (2) und der Kanalwand (6).
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Kanalwand (6) und die Zwischenwand (7)
einander überlappen.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Bauteil (1) ein thermisch belastetes
Teil einer Gasturbine ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gasturbine einen Turbinenteil, eine Brennkammer und
einen von der Brennkammer zum Turbinenteil führenden Turbi
neneintritt (13) aufweist, welcher Turbineneintritt (13) die
heißen Brenngase führt und aus einer Innenschale (29) und
einer Außenschale (24) gebildet wird, und daß das gekühlte
Bauteil (1) die Innenschale (29) und/oder die Außenschale
(24) des Turbineneintritts (13) ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß als Kanalwand zur Bildung des Kühlkanals (23 bzw. 36)
ein Leitblech (19 bzw. 37) vorgesehen ist, welches sich mit
tels Abstandshaltern (20 bzw. 38) an der Außenwand (22 bzw.
35) der Außenschale (24 ) bzw. Innenschale (29) abstützt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zwischenwand (27 bzw. 32) ebenfalls aus einem Blech
besteht, welches sich mittels Abstandshaltern (21 bzw. 30,
33) an der Außenwand (22 bzw. 35) der Außenschale (24
bzw. Innenschale (29) abstützt.
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