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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Kühlung von
Teilen, die einer Hochtemperatur-Umgebung ausgesetzt sind, und spezieller
die Kühlung
derjenigen Teile einer Verbrennungs- oder Gasturbine, welche der
Einwirkung heißer
Verbrennungsgase ausgesetzt sind.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Moderne
Verbrennungsturbinen werden dafür
konstruiert, bei zunehmend hohen Temperaturen der Verbrennungsgase
betrieben zu werden, um den Wirkungsgrad der Turbinen zu erhöhen. Verbrennungstemperaturen
von mehr als 1000 Grad C erfordern die Anwendung von neuen Superlegierungs-Werkstoffen,
Wärmedämmschichten
und verbesserten Verfahren zur Kühlung
der Komponenten. Es ist in der Technik bekannt, dass ein Teil der
vom Verdichter erzeugten Druckluft als Kühlluft für eine Konvektionskühlung ausgewählter Teile
der Turbine benutzt werden kann. Die Verwendung von Druckluft für diesen
Zweck verringert jedoch den Wirkungsgrad der Turbinen, und deshalb
sind Konstruktionen wünschenswert,
welche die Menge dieser Kühlluft auf
ein Minimum reduzieren. Eine typische Turbine nach dem bisherigen
Stand der Technik kann einen in ihr ausgebildeten Kühlweg für das Durchströmen von vom
Verdichter kommender Kühlluft
aufweisen. Während
die Luft jedoch durch den Kühlweg
strömt
und Wärmeenergie
von der Komponente abführt,
erhöht sich
die Temperatur des Kühlfluids.
Infolgedessen ist die Wirksamkeit der Kühlluft am Eintrittsende des Kühlweges
höher und
am Austrittsende niedriger. Dieses Temperaturgefälle kann eine zusätzliche Spannungsbeanspruchung
in der Komponente hervorrufen. Um für eine angemessene Kühlung am Austrittsende
des Kühlungs-Durchflussweges zu
sorgen, ist es erforderlich, eine Durchflussrate durch den Durchflussweg
vorzusehen, welche höher
ist, als es für
das Eintrittsende notwendig ist. Infolgedessen wird eine übermäßig große Menge
an Kühlfluid
verwendet, und die Komponente wird am Eintrittsende möglicherweise
zu stark gekühlt.
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Im
US-Patent 5.100.291, das am 31. März 1992 an Glover erteilt wurde,
wird ein Kühlverfahren offenbart,
welches zur Lösung
dieses Problems beiträgt.
Glover beschreibt einen Verteiler für die Zuführung von Kühlluft zu einer Vielzahl von
radialen Positionen in einer Turbine und für die Bereitstellung eines
unmittelbaren Austrittsweges für
die verbrauchte Kühlluft
zur Abführung
derselben weg von der gekühlten
Komponente. Bei dieser Vorgehensweise wird die Kühlleistung gleichmäßiger in
der gesamten Komponente verteilt; sie erfordert jedoch den Einbau zusätzlicher
Teile in die Turbine, welche die Funktion des Eintritts- und Austritts-Durchflussweges
erfüllen.
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In
der Europäischen
Patentschrift
EP 0.911.489 wird
die Verwendung von Dampf und Luft zur Kühlung der Schaufeln von Gasturbinen
beschrieben.
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Im
US-Patent 5.472.316, das am 5. Dezember 1995 an Taslim et al. erteilt
wurde, wird die Verwendung von Rippen zur Erzeugung von Turbulenzen
offenbart, die an wenigstens einer Seitenwand eines Kühlweges
angeordnet sind, um den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung an ausgewählten Stellen
entlang des Durchflussweges zu erhöhen. Die Verbesserung des Wirkungsgrades
der Wärmeübertragung
resultiert sowohl aus dem Turbulenzeffekt als auch aus der Beschleunigung
der Durchflussrate des Kühlfluids,
die durch die Verringerung der Querschnittsfläche des Durchflussweges verursacht
wird. Sie löst
jedoch weder das Problem einer inakzeptablen Erhöhung der Temperatur des Kühlfluids
am Austrittsende des Kühlweges,
noch das der resultierenden übermäßigen Kühlung am
Eintrittsende, wenn die Durchflussrate des Kühlfluids erhöht wird,
um diesem Temperaturanstieg entgegenzuwirken.
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In
US 5581994 wird ein Verfahren
zur Kühlung
einer Wand einer Turbinenkomponente mit Hilfe von Kühlströmen offenbart.
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Dementsprechend
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur
Kühlung eines
Teils einer Verbrennungsturbine bereitzustellen, welches die Menge
der benötigten
Kühlluft
auf ein Minimum reduziert und welches eine übermäßig starke Kühlung am
Eintrittsende eines Kühlweges vermeidet.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren
zur Kühlung
eines Teils einer Verbrennungsturbine bereitzustellen, welches minimale
Höchstwerte
der Beanspruchung in der Komponente zur Folge hat.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Verfahren
zur Kühlung
einer Turbinenkomponente, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Herstellen eines ersten Kühlweges
durch die besagte Komponente, wobei der besagte erste Kühlweg ein
Eintrittsende und ein Austrittsende aufweist; Herstellen eines zweiten
Kühlweges
durch die besagte Komponente, wobei der besagte zweite Kühlweg ein
Eintrittsende und ein Austrittsende aufweist, wobei das besagte
Austrittsende des zweiten Kühlweges
mit dem besagten ersten Kühlweg
an einer Verzweigungsstelle, die sich zwischen dem Eintrittsende
und dem Austrittsende des besagten ersten Kühlweges befindet, strömungstechnisch
verbunden ist; Vorsehen eines ersten Kühlfluids entlang des besagten
ersten Kühlweges;
Vorsehen eines zweiten Kühlfluids
am Eintrittsende des besagten zweiten Kühlweges und Lenken des besagten
zweiten Kühlfluids
entlang des besagten zweiten Kühlweges,
so dass es sich an der besagten Verzweigungsstelle mit dem besagten
ersten Kühlfluid
vereinigt; Lenken des besagten ersten und des besagten zweiten Kühlfluids
zum Austrittsende des besagten ersten Kühlweges, gekennzeichnet durch
das Vorsehen einer Verwirbelungen erzeugenden Oberfläche in wenigstens einem
Teil wenigstens eines der beiden Kühlwege, das Wählen der
Lage der besagten Verzweigungsstelle auf eine solche Weise, dass
die Maximaltemperatur des besagten ersten und des besagten zweiten
Kühlfluids
minimiert wird, und das Bestimmen einer maximalen Auslegungstemperatur
für das
besagte erste und das besagte zweite Kühlfluid; und Berechnen der
relativen Durchflussraten, die für
das besagte erste und das besagte zweite Fluid erforderlich sind,
derart, dass die maximale Auslegungstemperatur weder in dem besagten
ersten noch in dem besagten zweiten Kühlfluid überschritten wird, und derart,
dass die Summe der Durchflussraten des besagten ersten und des besagten
zweiten Kühlfluids
minimiert wird; und wobei die besagte Komponente eine Oberfläche aufweist,
welche während
des Betriebs der besagten Turbine einer Hochtemperatur-Umgebung
ausgesetzt ist; und welches ferner die folgenden Schritte umfasst:
Bestimmen einer maximalen Auslegungstemperatur für die besagte Oberfläche; Bestimmen
der Lage der besagten Verzweigungsstelle und der Durchflussraten
des besagten ersten und des besagten zweiten Kühlfluids derart, dass während des
Betriebs der besagten Turbine an keinem Punkt auf der besagten Oberfläche die
besagte maximale Auslegungstemperatur überschritten wird, und derart,
dass die Summe der Durchflussraten des besagten ersten und des besagten
zweiten Kühlfluids
minimiert wird, und wobei die besagte Komponente einen ersten Punkt
und einen zweiten Punkt auf ihrer Oberfläche umfasst, und welches ferner
den Schritt des Bestimmens der Lage der besagten Verzweigungsstelle
und der Durchflussrate des besagten ersten und des besagten zweiten
Kühlfluids
umfasst, derart, dass während
des Betriebs der besagten Turbine weder an dem besagten ersten Punkt noch
an dem besagten zweiten Punkt eine vorgegebene Maximaltemperatur überschritten
wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Schnittdarstellung eines Schaufelaußenmantels einer Verbrennungsturbine, welcher
gemäß der vorliegenden
Erfindung gekühlt wird.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In
der Technik ist bekannt, dass Verbrennungs- oder Gasturbinen aus
einer großen
Anzahl von Komponenten zusammengebaut werden, von denen einige während des
Betriebs der Turbine der Einwirkung der heißen Verbrennungsluft ausgesetzt sind.
Zu diesen Komponenten können
zum Beispiel Teile der Brennkammer (Combustor), Teile des Brennkammerübergangs,
Düsen,
stationäre
Schaufelblätter
oder Leitschaufeln und rotierende Schaufelblätter oder Laufschaufeln gehören. 1 zeigt eine
Schnittdarstellung einer anderen solchen Komponente 10,
eines Schaufelaußenmantels,
auch unter der Bezeichnung Ringsegment bekannt. Diese Komponente 10 ist
in der Turbine in einer Position radial außerhalb von einer Laufschaufel
vorgesehen und dient dazu, einen Teil der Grenze des Durchflussweges
für den
Strom der heißen
Verbrennungsgase 12 zu definieren. Die Komponente 10 weist
daher eine Oberfläche 14 auf,
die eine Vielzahl von Punkten 16, 18 enthält, welche
während
des Betriebs der Turbine einer rauen Hochtemperatur-Umgebung ausgesetzt
sind.
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Es
ist ein erster Kühlweg 20 durch
die Komponente 10 hindurch ausgebildet. Der erste Kühlweg 20 weist
ein Eintrittsende 22 und ein Austrittsende 24 auf.
Der erste Kühlweg 20 ist
vorzugsweise in der Nähe
der Oberfläche 16 ausgebildet,
um eine wirksame Wärmeübertragung
von der Oberfläche 16 auf
ein erstes Kühlfluid
(nicht dargestellt), welches durch den ersten Kühlweg 20 strömt, zu fördern. Zum
Beispiel kann ein erster Kühlweg 20 in
einem Abstand von 0,06 Zoll von der Oberfläche 14 ausgebildet
sein. Das erste Kühlfluid
kann ein beliebiges Kühlmedium sein,
es ist jedoch vorzugsweise Dampf oder Druckluft, der bzw. die auf
eine in der Technik bekannte Art und Weise vom Verdichterteil der
Verbrennungsturbinenanlage geliefert wird.
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Außerdem ist
ein zweiter Kühlweg 26 durch die
Komponente 10 hindurch ausgebildet. Der zweite Kühlweg 26 weist
ein Eintrittsende 28 und ein Austrittsende 30 auf.
Das Austrittsende 30 des zweiten Kühlweges ist mit dem ersten
Kühlweg 20 an
einer Verzweigungsstelle 32, die sich zwischen dem Eintrittsende 22 und
dem Austrittsende 24 des ersten Kühlweges 20 befindet,
strömungstechnisch
verbunden.
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Außerdem ist
ein dritter Kühlweg 38 durch die
Komponente 10 hindurch ausgebildet. Der dritte Kühlweg 38 weist
ein Eintrittsende 40 und ein Austrittsende 42 auf.
Das Austrittsende 42 des dritten Kühlweges ist mit dem ersten
Kühlweg 20 an
einer Verzweigungsstelle 44, die sich zwischen dem Eintrittsende 22 und
dem Austrittsende 24 des ersten Kühlweges 20 befindet,
strömungstechnisch
verbunden. Obwohl er in 1 nicht auf eine solche Weise dargestellt
ist, kann der dritte Kühlweg 38 stattdessen auch
so ausgebildet sein, dass er mit dem zweiten Kühlweg 26 strömungstechnisch
verbunden ist.
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Eine
Verwirbelungen erzeugende Oberfläche 34 kann
wie dargestellt an wenigstens einem Teil des ersten Kühlweges 20 vorgesehen
sein, oder wie nicht dargestellt entlang eines Teils des zweiten
oder dritten Kühlweges 26, 38.
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Der
Durchlassquerschnitt jedes der Kühlwege 20, 26, 38 kann
auf der gesamten Länge
der Kühlwege
gleich bleibend sein oder auch sich entlang des Durchflussweges
von Punkt zu Punkt ändern.
Wie in 1 dargestellt ist, ist der Durchflussweg 20 mit
einer ersten Querschnittsfläche
an seinem Eintrittsende und einer zweiten, größeren Querschnittsfläche an seinem
Austrittsende ausgebildet. Die Querschnittsfläche kann verändert werden,
um die Herstellung der Komponente 10 zu vereinfachen, oder vorzugsweise
um die Durchflussrate eines Kühlfluids durch
den Kühlweg
zu steuern und dadurch auf eine in der Technik bekannte Art und
Weise die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung
von der Komponente auf das Kühlfluid
zu beeinflussen.
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Der
Konstrukteur der Komponente 10 kann ein Kühlverfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung wählen,
welches die Menge an Kühlleistung,
die einem gegebenen Teil der Komponente zugeführt wird, mit der Menge an
Wärmeenergie
koordiniert, welche abgeführt
werden muss, um den betreffenden Teil der Komponente unter einer
vorgegebenen maximalen Auslegungstemperatur zu halten. Der Konstrukteur ist
dann in der Lage, dieses Ergebnis mit einer im Vergleich zu den
Kühlverfahren
nach dem bekannten Stand der Technik geringeren Menge an Kühlluft zu erreichen.
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Die
Wahl des optimalen Kühlverfahrens
für eine
spezielle Komponente 10 beginnt mit dem Verstehen der physischen
Gestaltung der Komponente, der für
die Konstruktion verwendeten Materialien, der Betriebstemperaturen
einschließlich
der Übergangstemperaturen
sowie der mechanischen und thermischen Beanspruchungen innerhalb
der Komponente. Die maximale Auslegungstemperatur für die Komponente 10 wird
vor allem von dem für
die Konstruktion verwendeten Material abhängen. Falls die Temperatur
der Betriebsumgebung der Komponente die zulässige maximale Auslegungstemperatur übersteigt, kann
ein erster Kühlweg 20 in
der Komponente 10 hergestellt werden, vorzugsweise in der
Nähe der Oberfläche 14,
an der die höchste
Temperatur auftritt. Der Konstrukteur kann auch eine maximale Auslegungstemperatur
für das
Kühlfluid
bestimmen, die auf Kriterien des Anlagenwirkungsgrades oder thermischen
Wirkungsgrades beruht. Falls ermittelt wird, dass die Temperatur
eines ersten Kühlfluids,
das durch den ersten Kühlweg 20 geleitet
werden soll, über
einen gewünschten
Wert hinaus ansteigen würde,
kann in der Komponente 10 ein zweiter Kühlweg 26 ausgebildet
werden, um ein kühleres
Fluid in den Strom des ersten Kühlfluids
einzuspritzen. Der zweite Kühlweg 26 kann
so ausgebildet werden, dass er an einer Verzweigungsstelle 32 mit
dem ersten Kühlweg 20 strömungstechnisch
verbunden ist. Der Zweck des Lenkens eines zweiten Kühlfluids
durch den zweiten Kühlweg 26 kann
ein zweifacher sein: um Abschnitte der Komponente zu kühlen, die
an den zweiten Kühlweg 26 angrenzen,
und auch um die Gleichmäßigkeit der
Kühlung
entlang des ersten Kühlweges 20 zu
verbessern. Die verbesserte Gleichmäßigkeit der Kühlung resultiert
aus zwei Mechanismen: Erstens wird die Kühlung am Eintrittsende 22 dadurch
verringert, dass eine geringere Durchflussrate erforderlich ist;
und zweitens wird die Kühlung
am Austrittsende 24 infolge der verringerten Temperatur
und der erhöhten
Durchflussrate in denjenigen Teilen des ersten Kühlweges 20, welche
sich stromabwärts
von der Verzweigungsstelle 32 befinden, verstärkt. Die
Querschnittsfläche
des ersten Kühlweges 20 kann
stromabwärts
von der Verzweigungsstelle 32 vergrößert werden, um dem zusätzlichen
Volumen Rechnung zu tragen, welches aus der Vereinigung des ersten
Kühlfluids
und des zweiten Kühlfluids
an der Verzweigungsstelle 32 resultiert, oder um auf andere
Weise die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung
zwischen der Komponente 10 und den Kühlfluiden zu beeinflussen.
Die Lage der Verzweigungsstelle 32 kann so gewählt werden, dass
sichergestellt wird, dass während
des Betriebs der Komponente 10 in keinem Punkt 16, 18 auf
der Oberfläche 14 der
Komponente 10 die maximale Auslegungstemperatur überschritten
wird. Auf ähnliche
Weise kann durch Wahl einer geeigneten Position für die Verzweigungsstelle 32 die
maximale Temperatur der Kühlfluide
unterhalb einer maximalen Auslegungstemperatur gehalten werden,
ohne dass eine übermäßige Kühlung derjenigen
Teile der Komponente 10 erfolgt, die sich in der Nähe des Eintrittsendes 22 befinden.
Durch die Vermeidung einer übermäßigen Kühlung irgendeines
Teils der Komponente 10 kann die Summe der Durchflussraten
des ersten und des zweiten Kühlfluids
minimiert werden.
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Um
die Kühlung
der Komponente 10 zu optimieren, kann der Konstrukteur
die optimalen relativen Durchflussraten berechnen, die für das erste, das
zweite und das dritte Kühlfluid
erforderlich sind. Falls zum Beispiel der Abschnitt der Komponente 10, der
von dem zweiten Kühlweg 26 gekühlt wird,
hohen Beanspruchungen ausgesetzt ist oder eine relativ hohe thermische
Belastung aufweist, kann es wünschenswert
sein, eine vergleichsweise höhere Durchflussrate
des zweiten Kühlfluids
zu dem zweiten Kühlweg 26 zu
lenken. Umgekehrt, falls der umgebende Bereich einer relativ niedrigen
thermischen Belastung ausgesetzt ist oder teilweise auch von anderen
Quellen der Ableitung von Wärmeenergie
gekühlt
wird, kann es wünschenswert
sein, eine vergleichsweise geringere Durchflussrate des dritten Kühlfluids
zu dem dritten Kühlweg 38 zu
lenken.
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Das
Verfahren der Kühlung
der Komponente 10 kann das Vorsehen einer Verwirbelungen
erzeugenden Oberfläche
an irgendeinem Teil der Kühlwege 20, 26, 38 beinhalten.
Solche Verwirbelungen erzeugenden Oberflächen können dazu dienen, die Wärmeübertragung
dort, wo es notwendig ist, zu erhöhen, zum Beispiel im ersten
Kühlweg 20 unmittelbar
stromaufwärts
von der Verzweigungsstelle 32, da in diesem Bereich die
Temperatur des ersten Kühlfluids
einen maximalen Wert haben wird.
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Durch
das Verfahren der vorliegenden Patentanmeldung wird ein Mittel zur
Aufrechterhaltung einer hohen Wirksamkeit der Kühlung auf der gesamten Länge eines
langen Kühlungs-Durchflussweges bereitgestellt.
Dies wird durch Einspritzen von zusätzlichem Kühlmittel in den Kühlungs-Durchflussweg
an einer oder mehreren ausgewählten,
stromabwärts
befindlichen Stellen erreicht. Eine optimale Auswahl der Stelle
der Einspritzung, des Verhältnisses
des eingespritzten Stroms zum Hauptstrom und der Querschnittsfläche des
Durchflussweges sowie die Verwendung von Turbulenzen erzeugenden
Elementen oder anderen Verbesserungen der Oberfläche innerhalb des Durchflussweges
werden für
ein Schema der Kühlung
sorgen, das im Vergleich zu nicht mit solchen Ergänzungen
ausgestatteten Kühlwege-Konstruktionen eine
bessere Gleichmäßigkeit der
Temperatur und einen geringeren Verbrauch an Kühlmittel aufweist.
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Andere
Aspekte, Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
beim Studium der Abbildungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche ersichtlich.