DE4443864A1

DE4443864A1 - Gek}hltes Wandteil

Info

Publication number: DE4443864A1
Application number: DE4443864A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr Althaus
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd
Priority date: 1994-12-09
Filing date: 1994-12-09
Publication date: 1996-06-13
Also published as: EP0716268A3; EP0716268A2; CN1134505A; JPH08233253A; US5647202A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein gekühltes Wandteil, beispielsweise ein Wandteil von umströmten heißen Turbomaschinen-Komponen ten wie Brennkammerwandungen.

Stand der Technik

Es ist bekannt, zur Kühlung von Brennkammerwänden zwecks Ver meidung zu hoher Materialtemperaturen konvektive Kühlungsver fahren anzuwenden, bei denen das Kühlmedium im Gleichstrom- oder Gegenstromprinzip zur Brennkammerströmung in einem sich zwischen Brennkammerinnen- und Brennkammeraußenwand befin denden Kühlkanal, der ein Ringspalt sein kann, oder in von einander abgegrenzten separaten Kühlkanälen entlangströmt und dabei Wärme aufnimmt.

Diese konvektiven Kühlungsverfahren können beispielsweise mit Prallkühlungen zur Erzeugung hoher Wärmeübergangszahlen kombiniert werden (DE 28 36 539 C2).

Außerdem sind zur Kühlung von Brennkammerwänden Kühltechni ken bekannt, die auf einer kontrollierten Einbringung von Luft in die Verbrennungszone basieren. Das trifft beispiels weise auf die Filmkühlung zu, bei der das Kühlmedium durch Öffnungen in der Brennkammerinnenwand in das Innere der Brennkammer gelangt, an der Innenseite der Brennkammerwand entlangströmt und dort einen dünnen Film bildet, welcher eine thermische Isolationsschicht darstellt und die Wärmebelastung der Wand verringert.

Diese bekannten Kühlungstechniken werden den ständig steigen den Anforderungen an den Wirkungsgrad von Gasturbinenanlagen, den damit verbundenen extrem hohen Temperaturen und dem mög lichst geringen Kühlluftverbrauch kaum mehr gerecht.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein gekühltes Wandteil zu entwic keln, bei dem das Kühlmedium intern mehrfach zur Kühlung ver wendet wird und dadurch eine erhöhte Kühleffektivität erzielt wird.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem gekühlten Wandteil mit einer Mehrzahl nahe der Innenwand und parallel zu dieser ver laufender separater konvektiv gekühlter Längskühlkanäle, wo bei benachbarte Längskühlkanäle jeweils über Zwischenrippen miteinander verbunden sind, dadurch erreicht, daß am stromab gelegenen Ende der Längskühlkanäle eine Umlenkeinrichtung vorgesehen ist, welche mit mindestens einem nahe der Außen wand im Wandteil angeordneten Rückströmkühlkanal verbunden ist, von dem eine Mehrzahl zur Innenwand des gekühlten Wand teils verlaufenden und in den Zwischenrippen angeordneten Röhrchen abzweigt.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß das Kühlme dium, beispielsweise Kühlluft, mehrfach verwendet wird, näm lich einmal zur konvektiven Kühlung in den Längskühlkanälen, dann zur konvektiven Kühlung in den quer verlaufenden Röhr chen, wobei letztere Kühlung eine Effusionskühlung (Durchgang von Gasen durch kleine Öffnungen) darstellt und schließlich zur Filmkühlung der Innenwand des gekühlten Wandteils.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn die Röhrchen unter einem rechten Winkel zur Strömungsrichtung im Rückströmkühlkanal angeordnet sind.

Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn die Röhrchen unter einem vom rechten Winkel abweichenden Winkel, beispielsweise einem spitzen Winkel zur Strömungsrichtung im Rückströmkühl kanal in den Zwischenrippen angeordnet sind.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn das Wandteil ein Brennkam merkühlziegel ist und die Innenwand des gekühlten Wandteiles von der Brennkammerströmung umströmt ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist Ausführungsbeispiele der Erfindung dar gestellt.

Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungs gemäßen gekühlten Wandteiles;

Fig. 2 einen Teillängsschnitt von Fig. 1 in der Ebene II- II;

Fig. 3 einen Teillängsschnitt von Fig. 1 in der Ebene III- III;

Fig. 4 einen Teilquerschnitt einer weiteren Ausführungs form;

Fig. 5a einen Teillängsschnitt einer Brennkammer ein schließlich Brennkammerwand in der Ebene der Effu sionskühlung;

Fig. 5b einen Teillängsschnitt einer Brennkammer ein schließlich Brennkammerwand in der Ebene der Kon vektivkühlung.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie len und der Fig. 1 bis 5 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung ein gekühltes Wandteil, bei dem nahe der Innenwand 1 mehrere parallel zur Innenwand 1 verlaufende Längskühlkanäle 2 angeordnet sind. Diese Längskühlkanäle 2 sind über Zwischenrippen 3 miteinan der verbunden. Am stromab gelegenen Ende der Kühlkanäle 2 ist jeweils eine Umlenkeinrichtung 4, beispielsweise ein geboge nes Blech angeordnet, über welches die Längskühlkanäle 2 je weils mit Rückströmkühlkanälen 6 verbunden sind. Die Rück strömkühlkanäle 6 sind nahe der Außenwand 5 des gekühlten Wandteiles angeordnet und werden an ihrer Unterseite von den Zwischenrippen 3 begrenzt. In der Mitte der Zwischenrippen 3 sind im rechten Winkel zur Innenwand 1 in jedem Rückström kühlkanal 6 eine Vielzahl kleiner Röhrchen 7 angeordnet, wel che eine Querverbindung des Rückströmkanales 6 mit der Innen wand 1 schaffen.

In den Fig. 2 und 3 sind Teillängsschnitte von Fig. 1 darge stellt. Fig. 2 ist ein Teillängsschnitt in der Ebene einer Zwischenwand 3 und der Röhrchen 7, während Fig. 3 ein Teil längsschnitt in der Ebene eines Längskühlkanales 2 ist.

Anhand dieser Figuren läßt sich das Kühlverfahren gut erklä ren. Gemäß Fig. 3 gelangt das Kühlmedium 11, beispielsweise Luft oder Dampf, zunächst in den Längskühlkanal 2 und kühlt dort konvektiv die Innenwand 1 des Wandteiles. Am stromab ge legenen Ende des Kühlkanales 2 wird die Strömung des Kühlme diums 11 durch die Umlenkeinrichtung 4 um 180° umgelenkt und es gelangt nun im Gegenstromprinzip in den Rückströmkühlkanal 6. Gemäß Fig. 2 zweigen vom Rückströmkühlkanal 6 im rechten Winkel zur Innenwand 1 des gekühlten Wandteiles eine Vielzahl von Röhrchen 7 ab, welche durch die Zwischenwand 3 zwischen den Längskühlkanälen 2 verlaufen. Das Kühlmedium 11 strömt nunmehr vom Rückströmkanal 6 aus durch diese kleinen, dicht aneinandergereihten Röhrchen 7 und kühlt so konvektiv die Zwischenwand 3. Man kann hier von einer Effusionskühlung sprechen, da das gasförmige Medium durch eine Vielzahl klei ner Öffnungen strömt. An der Innenwand 1 des gekühlten Wand teiles bildet das Kühlmedium 11 sodann eine dünne thermische Isolationsschicht, welche die Wärmebelastung der Wand verrin gert.

Durch die mehrfache interne Verwendung des Kühlmediums in folge Kombination verschiedener Kühltechniken (Konvektivküh lung, Effusionskühlung, Filmkühlung) zur Kühlung eines ther misch belasteten Wandteiles wird die Effektivität der Kühlung wesentlich erhöht.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das o.g. Aus führungsbeispiel beschränkt. Fig. 4 zeigt z. B. einen Teil querschnitt eines gekühlten Wandteiles, bei dem nicht mehrere Rückströmkühlkanäle, sondern nur ein Rückströmkühlkanal 6 in Form eines Ringspaltes vorhanden ist.

In Fig. 5 sind Teillängsschnitte einer Gasturbinenbrennkammer dargestellt, wobei Fig. 5a einen Schnitt in der Ebene eines Längskühlkanales und Fig. 5b einen Schnitt in der Ebene der Zwischenwand 3 und der Röhrchen 7 zeigen.

Das erfindungsgemäße gekühlte Wandteil stellt bei diesem Ausführungsbeispiel einen Brennkammerkühlziegel 8 dar. Die Brennkammerwand 1 wird zunächst im Gegenstromprizip konvektiv gekühlt, indem die Kühlluft 11 im Längskühlkanal 2 in entge gengesetzter Richtung zur Brennkammerströmung 9 entlang strömt. Selbstverständlich ist es auch möglich, eine kon vektive Kühlung im Gleichstromprinzip vorzusehen.

Am Ende des Kühlkanales 2 sorgt eine Umlenkeinrichtung 4 da für, daß die Kühlluft eine Richtungsänderung erfährt. Sie strömt, um 180° umgelenkt, in den Rückströmkanal 6 ein. Ge mäß Fig. 5b tritt die Kühlluft 11 nunmehr in die in den Zwi schenwänden 3 verlaufenden Röhrchen 7 ein. Diese Röhrchen 7 sind über die ganze Länge der Kühlkanäle 2 verteilt und be wirken, daß die zwischenwände 3 mit geringen Luftverbrauch gekühlt werden.

Die Röhrchen 7 sind in diesem Ausführungsbeispiel nicht in einem rechten Winkel zur Innenwand 1 angeordnet, sondern sie bilden mit der Strömungsrichtung im Rückströmkanal 6 einen spitzen Winkel, so daß die Kühlluft 11 schräg zur Strömungs richtung der Brennkammerströmung 9 in den Innenraum der Brennkammer einströmt. Auf diese Weise erfährt die sich an der Innenwand 1 bildende Filmkühlungs-Isolationsschicht eine stärkere Haftung als z. B. bei einer rechtwinkligen Einströ mung der Kühlluft in den Brennkammerinnenraum. Die Schräg stellung der Röhrchen richtet sich dabei nach der Stärke der strömungsbedingten Ablöseerscheinung der Kühlluft-Filmbil dung.

Die Brennkammerinnenwand wird somit bei geringen Luftver brauch hervorragend gekühlt, wobei die thermische Isolations schicht die Wärmebelastung der Wand wesentlich verringert. Außerdem erfolgt ein großmächtiges Einbringen mit guter Ein mischung der zu Kühlzwecken eingesetzten Luft in die Brenn kammerströmung 9. Bei einer Vormischverbrennung hätte die Isolationsschicht weiterhin den Vorteil, daß die Vormisch- Flamme 10 nicht in der Strömungsgrenzschicht an der Wand stromauf bis zum Ort der Brennstoffeindüsung wandert, wo sie diffusionsartig verbrennen würde.

Bezugszeichenliste

1 Innenwand
2 Längskühlkanal
3 Zwischenwände
4 Umlenkeinrichtung
5 Außenwand
6 Rückströmkanal
7 Röhrchen
8 Brennkammerkühlziegel
9 Brennkammerströmung
10 Flamme
11 Kühlmedium

Claims

1. Gekühltes Wandteil mit einer Mehrzahl nahe der Innenwand (1) und parallel zu dieser verlaufender separater konvektiv gekühlter Längskühlkanäle (2), wobei benachbarte Längskühl kanäle (2) jeweils über Zwischenrippen (3) miteinander ver bunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß am stromab gelege nen Ende der Längskühlkanäle (2) eine Umlenkeinrichtung (4) vorgesehen ist, welche mit mindestens einem nahe der Außen wand (5) im Wandteil angeordneten Rückströmkühlkanal (6) ver bunden ist, von dem eine Mehrzahl zur Innenwand (1) des ge kühlten Wandteils verlaufenden und in den Zwischenrippen (3) angeordneten Röhrchen (7) abzweigt.

2. Gekühltes Wandteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Röhrchen (7) im rechten Winkel zur Strömungs richtung im Rückströmkühlkanal (6) angeordnet sind.

3. Gekühltes Wandteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Röhrchen (7) unter einem spitzen Winkel zur Strömungsrichtung im Rückströmkühlkanal (6) angeordnet sind.

4. Gekühltes Wandteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Wandteil ein Brennkammerkühlziegel (8) ist und die Innenwand (1) des gekühlten Wandteiles von der Brennkam merströmung (9) umströmt ist.