DE60038086T2

DE60038086T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen einer Turbinenschaufel

Info

Publication number: DE60038086T2
Application number: DE60038086T
Authority: DE
Inventors: Friedrich O. Tequesta Soechting; Thomas A. Palm Beach Gardens Auxier; William A. Guilford Kvasnak; James P. Jupiter Downs; William H. Akworth Calhoun; Douglas A. Port St. Lucie Hayes
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1999-11-18
Filing date: 2000-11-02
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2020-11-03
Also published as: US6280140B1; DE60038086D1; EP1101899B1; EP1101899A1; JP2001164903A

Description

Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Gasturbinenmaschinen und insbesondere auf eine Vorrichtung zum Kühlen eines Substrates, das Gas mit hoher Temperatur ausgesetzt ist.
Effizienz ist ein Hauptanliegen beim Entwurf von jeder Gasturbinenmaschine. Historisch war eine der Haupttechniken, um die Effizienz zu erhöhen, die Temperaturen im Kerngaspfad innerhalb der Maschine zu erhöhen. Kerngas bezeichnet Luft, die innerhalb des Kompressors bearbeitet wird und die im Verbrennungsraum mit Brennstoff gemischt und verbrannt wird. Den erhöhten Gaspfadtemperaturen ist durch Benutzen intern gekühlter Komponenten, die aus Legierungen, die für hohe Temperaturen geeignet sind, hergestellt worden sind, Rechnung getragen worden. Statorleitschaufeln und Laufschaufeln von Turbinen werden z. B. typischerweise durch Benutzen von Luft aus dem Kompressor, die auf einen höheren Druck gebracht worden ist, die immer noch eine geringere Temperatur hat, als die Kerngasströmung, die an der Schaufel oder Leitschaufel vorbeiströmt, gekühlt. Der höhere Druck stellt die Energie bereit, die notwendig ist, um die Luft durch die Komponente zu drücken. Ein erheblicher Prozentsatz der Arbeit, die auf die Luft ausgeübt wird, die dem Kompressor entnommen wird, geht jedoch während des Kühlprozesses verloren. Die verlorene Arbeit trägt nicht zum Schub der Maschine bei und beeinflusst daher die Gesamteffizienz der Maschine negativ. Ein Fachmann wird daher erkennen, dass ein Spannungsverhältnis zwischen der Effizienz, die durch höhere Kerngaspfadtemperaturen gewonnen wird, und der damit verbundenen Notwendigkeit, die Turbinenkomponenten zu kühlen, und dem Effizienzverlust durch das Entnehmen von Luft, um dieses Kühlen durchzuführen, besteht.
Dementsprechend besteht ein großer Nutzen im Maximieren der Kühleffizienz jeglicher verwendeten Kühlung. Kühlbare Strömungsprofile nach dem Stand der Technik umfassen typischerweise mehrere innere Hohlräumen, die mit Kühlluft versorgt werden. Die Kühlluft strömt durch die Wand des Strömungsprofils (oder der Plattform) und führt in dem Prozess thermische Energie von dem Strömungsprofil ab. Die Art und Weise, in der die Kühlluft durch die Wand des Strömungsprofils strömt, ist kritisch für die Effizienz des Prozesses. In einigen Fällen wird Kühlluft durch gradlinige oder diffuse Kühlöffnungen geströmt, um die Wand konvektiv zu kühlen und einen äußeren Kühlluftfilm aufzubauen. Über diese Art von Kühlöffnungen ist typischerweise ein minimaler Druckabfall erforderlich, um die Menge an Kühlluft zu minimieren, die sofort an den freien Strom von heißem Kerngas verloren geht, der an dem Strömungsprofil vorbeiströmt. Der minimale Druckabfall wird normalerweise durch mehrere Hohlräume in dem Strömungsprofil erzeugt, die durch mehrere Dosieröffnungen verbunden sind. Ein zu kleiner Druckabfall an der Wand des Strömungsprofils kann zu einer unerwünschten Einströmung von heißem Kerngas führen. In allen Fällen macht die minimale Verweilzeit in der Kühlöffnung sowie die Größe der Kühlöffnung diese Art konvektiver Kühlung relativ ineffizient.
Einige Strömungsprofile werden konvektiv dadurch gekühlt, dass Kühlluft durch Passagen, die innerhalb einer Wand oder Plattform angeordnet sind, geströmt wird. Typischerweise erstrecken sich solche Passagen über eine signifikante Distanz im Wesentlichen entlang einer geraden Linie innerhalb der Wand oder der Plattform. Diese Art der Kühlung weist potenziell verschiedene Probleme auf. Zum einen nimmt die Wärmeübertragungsrate zwischen den Wänden der Passagen und der Kühlluft als eine Funktion der Distanz, die innerhalb der Passage zurückgelegt wird, merklich ab. Als ein Ergebnis kann ein Kühlluftstrom, der den Anfang der Passage adäquat kühlt, möglicherweise das Ende der Passage nicht adäquat kühlen. Wenn der Kühlluftstrom erhöht wird, um am Ende der Passage eine adäquate Kühlung bereitzustellen, kann der Anfang der Passage übermäßig gekühlt werden, sodass Kühlluft verschwendet wird. Zweitens ist das thermische Profil eines Strömungsprofils typischerweise nicht gleichmäßig und enthält Bereiche, die einer größeren oder geringeren thermischen Last ausgesetzt sind. Die internen Kühlpassagen nach dem Stand der Technik, die sich über eine signifikanten Distanz innerhalb einer Wand eines Strömungsprofils oder einer Plattform erstrecken, überspannen typischerweise einen oder mehrere Bereiche, die ungleiche thermische Lasten haben. Ähnlich der zuvor beschriebenen Situation kann das Bereitstellen einer Kühlströmung, die angemessen ist, um den Bereich mit der größten thermischen Last zu küh len, dazu führen, dass andere Bereiche entlang der Passage übermäßig gekühlt werden.
Kühlanordnungen für Wände von Strömungsprofilen werden in US-A-4669957 und US 3,698,834 offenbart. DE 2942815 offenbart einen Metallblechschichtkörper zur Verwendung bei der Herstellung eines Verbrennungsraums.
Was daher benötigt wird, sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen eines Substrats in einer Gasturbinenmaschine, um das Substrat unter Verwendung einer minimalen Menge von Kühlluft angemessen zu kühlen und das Ab führen von Wärme dort zur Verfügung zu stellen, wo es benötigt wird.
Es ist daher eine Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen einer Wand in einer Gasturbinenmaschine zur Verfügung zu stellen, um mehr Kühlpotenzial aus Kühlluft, die durch die Wand strömt, zu erhalten, als es beim Benutzen der meisten konventionellen Verfahren und Vorrichtungen möglich ist.
Es ist eine weitere Aufgabe, ein Verfahren zum Kühlen einer Wand in einer Gasturbinenmaschine bereitzustellen, das ein Kühlprofil erzeugen kann, das im Wesentlichen dem thermischen Profil der Wand entspricht, und eine Vorrichtung, die dafür benutzt werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine kühlbare Wand bereitgestellt, wie sie in Anspruch 1 beansprucht wird.
Die vorliegende Erfindung stellt eine gegenüber Kühlmaßnahmen nach dem Stand der Technik deutlich erhöhte Kühleffizienz zur Verfügung. Einer der Wege, auf denen die vorliegende Vorrichtung und das vorliegende Verfahren erhöhte Kühleffizienz bereitstellen, ist das Erhöhen des Wärmeübertragungskoeffizienten pro Strömungseinheit innerhalb der Kühlpassage. Die Übertragung von thermischer Energie zwischen der Wand, welche die Passage enthält, und der Kühlluft ist direkt mit dem Wärmeübertragungskoeffizienten innerhalb der Passage für einen vorgegebenen Fluss verbunden. Ein Geschwindigkeitsprofil der Fluidströmung neben jeder Wand der Passage ist durch einen anfänglichen hydrodynamischen Eingangsbereich und einem darauf folgenden vollständig ausgebildeten Bereich gekennzeichnet, wie in 7 zu erkennen ist. Im Eingangsbereich entwickelt sich neben den Wänden der Passage eine Fluidflussgrenzschicht, beginnend mit der Dicke Null am Eingang der Passage und schließlich mit einer konstanten Dicke an einer Position strömungsabwärts innerhalb der Passage. Der Wechsel zu einer konstanten Dicke markiert den Anfang des vollständig ausgebildeten Strömungsbereichs. Der Wärmeübertragungskoeffizient ist auf einem Maximalwert, wenn die Dicke der Grenzschicht gleich Null ist, nimmt ab, wenn die Dicke der Grenzschicht zunimmt und wird konstant, wenn die Grenzschicht konstant wird. Daher ist ihr mittlerer Wärmeübertragungskoeffizient für eine vorgegebene Strömung im Eingangsbereich höher als der Wärmeübertragungskoeffizient im vollständig ausgebildeten Bereich. Die vorliegende Vorrichtung erhöht den Prozentsatz der Strömung in einer Passage, der durch Eingangsbereichseffekte gekennzeichnet ist, durch Bereitstellen von mehreren Segmenten von kurzer Länge, die durch Kammern verbunden sind. Fluid, das in eine Kammer eintritt, breitet sich aus und seine Geschwindigkeit nimmt ab. Fluid, das aus einer Kammer austritt, ist durch Eingangsbereichseffekte und daraus folgend durch erhöhte lokale Wärmeübertragungskoeffizienten gekennzeichnet. Der mittlere Wärmeübertragungskoeffizient pro Flusseinheit der relativ kurzen Segmente der vorliegenden Vorrichtung und des vorliegenden Verfahrens ist dementsprechend größer als der, der mit allen ähnlichen Kühlverfahren nach dem Stand der Technik, die uns bekannt sind, erreichbar ist.
Ein anderer Weg, mit dem die vorliegende Erfindung eine erhöhte Kühleffizienz bereitstellt, beinhaltet auch das Segment mit kurzer Länge zwischen den Kammern. Die Beziehung zwischen der Wärmeübertragungsrate und dem Wärmeübertragungskoeffizienten in einer gegebenen Länge der Passage kann mathematisch wie folgt beschrieben werden: q = hcASΔTlm (Gleichung 1)wobei:

q: = Wärmeübertragungsrate zwischen der Passage und dem Fluid
h_c: = Wärmeübertragungskoeffizient der Passage
A_S: = Oberfläche des Passagenbereichs = P × L = Durchmesser der Passsage × Länge
ΔT_lm: = Logarithmus des mittleren Temperaturunterschieds.

Die obige Gleichung zeigt die direkte Beziehung zwischen der Wärmeübertragungsrate und dem Wärmeübertragungskoeffizienten sowie die Beziehung zwischen der Wärmeübertragungsrate und der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Oberfläche der Passage und der Einlass- und Austrittstemperatur des Fluids, das durch eine Länge der Passage strömt (d. h., ΔT_lm). Insbesondere, wenn die Oberflächentemperatur der Passage konstant gehalten wird (eine vernünftige Annahme für eine vorgegebene Länge einer Passage z. B. innerhalb eines Strömungsprofils), nimmt die Temperaturdifferenz zwischen der Oberfläche der Passage und dem Fluid exponentiell als eine Funktion des durch die Passage zurückgelegten Weges ab. Der sich daraus ergebende exponentielle Abfall der Wärmeübertragungsrate ist besonders deutlich im vollständig ausgebildeten Bereich, wo der Wärmeübertragungskoeffizient konstant ist und die Wärmeübertragungsrate von der Temperaturdifferenz abhängt. Die vorliegende Vorrichtung benutzt Segmente mit relativ kurzer Länge, die zwischen den Kammern angeordnet sind. Wie oben gesagt, ist ein Kühlluftstrom, der durch einen Bereich jedes Segmentes strömt, durch ein Eingangsbereichs-Geschwindigkeitsprofil gekennzeichnet und der Rest ist durch ein vollständig ausgebildetes Geschwindigkeitsprofil unter normalen Betriebsbedingungen gekennzeichnet. In allen Ausführungsformen der vorliegenden Vorrichtung und des vorliegenden Verfahrens ist die Länge der Segmente zwischen den Kammern kurz, um den Effekt der exponentiell abnehmenden Wärmeübertragungsrate, der der Temperaturdifferenz zuzuschreiben ist, insbesondere im vollständig ausgebildeten Bereich zu minimieren.
In einigen Ausführungsformen weist die vorliegende Vorrichtung eine Anzahl von Segmenten auf, deren Länge schrittweise abnimmt. Das längste der schrittweise kürzer werdenden Segmente ist neben der Einlassöffnung angeordnet, wo die Temperaturdifferenz zwischen der Fluidtemperatur und der Wand der Passage am höchsten ist, und das kürzeste der schrittweise kürzer werdenden Segmente ist neben der Austrittsöffnung angeordnet, wo die Temperaturdifferenz zwischen der Fluidtemperatur und der Wand der Passage am kleinsten ist. Schrittweises Verringern der Länge der Segmente innerhalb der Passage hilft, die Abnahme von ΔT_lm in jedem der aufeinander folgenden Segmente auszugleichen. Betrachte zu Erklärungszwecken mehrere Segmente derselben Länge, die in Reihe miteinander verbunden sind. Der Mittelwert ΔT_lm von jedem der aufeinander folgenden Segmente wird kleiner werden, da die Temperatur der Kühlluft zunimmt, während sie durch jedes Segment strömt. Die mittlere Wärmeübertragungsrate, die direkt mit ΔT_lm in Beziehung steht, nimmt dementsprechend in jedem der aufeinander folgenden Segmente ab. Kühlluft, die durch mehrere schrittweise kleiner werdende Segmente strömt, wird auch an Temperatur zunehmen, während sie durch die aufeinander folgenden Segmente strömt. Die Menge, die ΔT_lm pro Segment geringer wird, ist jedoch in schrittweise kürzer werdenden Segmenten (in Vergleich zu Segmenten mit gleicher Länge) geringer, da die Länge der Segmente dort, wo der exponentielle Temperaturabfall auftritt, kürzer ist. Daher beeinflusst das Verringern der Länge der Segmente durch Verringern des Einflusses des exponentiell abnehmenden Temperaturunterschieds die Wärmeübertragungsrate positiv.
Ein anderer Weg, auf dem die vorliegende Erfindung eine erhöhte Kühleffizienz bereit stellt, ist durch Benutzen einer Kühlluftdruckdifferenz auf eine Weise, die die Wärmeübertragung innerhalb der Passage optimiert. Konvektive Wärmeübertragung ist eine Funktion der Reynolds-Zahl und daher der Mach-Zahl (d. h., der Geschwindigkeit) der Kühlluft, die durch ein Segment der Passage strömt. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Vorrichtung wird dadurch, dass im Wesentlichen das gleiche Verhältnis von Druck in der Kammer über jedes Segment aufrechterhalten wird, die Kühlluft in jedem Segment bei im Wesentlichen der gleichen Mach-Zahl gehalten. Vorzugsweise wird das im Wesentlichen selbe Verhältnis von Druck in der Kammer über jedes Segment durch Ändern der Querschnittsfläche von jedem der aufeinander folgenden Segmente innerhalb der Passage aufrecht erhalten.
Die geringe Größe der vorliegenden Kühlvorrichtung stellt auch Vorteile gegenüber vielen Kühlverfahren nach dem Stand der Technik bereit. Das thermische Profil der meisten Laufschaufeln oder Leitschaufeln ist entlang ihrer Spannweite und/oder -breite typischerweise nicht einheitlich. Wenn das thermische Profil jedoch auf eine Anzahl von Bereichen reduziert wird und wenn die Bereiche klein genug sind, kann jeder Bereich so betrachtet werden, als ob er einen einheitlichen Wärmestrom hat. Das nicht einheitliche Profil kann daher als eine Mehrzahl von Bereichen beschrieben werden, von denen jeder einen im Wesentlichen einheitlichen Wärmestrom hat, obwohl sich diese in der Größe unterscheiden. Die vorliegenden Kühl-Mikrokreise können so eine Größe haben, dass sie in die meisten dieser Bereiche mit einheitlichem Wärmestrom passen. Dementsprechend kann eine Ausführungsform des vorliegenden Mikrokreises so angepasst und eingesetzt werden, dass sie eine jeweilige Größe des Wärmestroms, der in einem jeweiligen Bereich vorhanden ist, ausgleicht. Eine Laufschaufel oder Leitschaufel, die ein nicht einheitliches thermisches Profil hat, kann z. B. mit der vorliegenden Erfindung durch Anordnen eines oder mehrerer Mikrokreise an speziellen Stellen innerhalb der Wand der Laufschaufel oder Leitschaufel und Anpassen der Kühlkapazität des Mikroschaltkreises bzw. der Mikroschaltkreise an den lokalen Wärmestrom effizient gekühlt werden. Als ein Ergebnis wird ein übermäßiges Kühlen verringert und die Kühleffizienz wird erhöht.
Die Größe des vorliegenden Kühl-Mikrokreises stellt auch eine Unterteilung der Kühlpassage bereit. Einige konventionelle Kühlpassagen weisen ein Volumen einer langen Passage, das durch mehrere Austrittsöffnungen mit der Kerngasseite der Wand verbunden ist, auf. In dem Fall, in dem ein Bereich der Passage durchgebrannt wird, ist es möglich, dass ein signifikanter Bereich der Passage durch die Mehrzahl der Austrittsöffnungen heißer Kerngaseinströmung ausgesetzt wird. Die vorliegende Vorrichtung beschränkt das Potenzial heißer Kerngaseinströmung dadurch, dass vorzugsweise nur eine Austrittsöffnung pro Passage benutzt wird. In dem Fall, dass ein Einströmen von heißem Kerngas auftritt, ist die Fläche der vorliegenden Passage beschränkt, wodurch die Fläche, die potenziell unerwünscht heißem Kerngas ausgesetzt ist, beschränkt ist.
Nun werden beispielhaft, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, einige bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei:
1 eine schematische Ansicht einer Gasturbinenmaschine ist.
2 eine schematische Ansicht einer Rotorschaufel ist, die eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Kühl-Mikrokreisen hat, die in einer Wand angeordnet sind.
3 eine vergrößerte schematische perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Kühl-Mikrokreis gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
4 eine schematische ebene Ansicht des Ausführungsbeispiels des Kühl-Mikroschaltkreises gemäß der vorliegenden Erfindung ist, der in 3 gezeigt ist.
5 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Kühl-Mikrokreises gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
6 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Kühl-Mikrokreises gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
7 ein Diagramm eines Fluidfluss-Strömungsprofils ist, das ein Geschwindigkeitsprofil zeigt, das einen Eingangsbereich hat, dem ein voll ausgebildeter Bereich folgt.
Bezugnehmend auf die 1 bis 3 ist ein Kühl-Mikrokreis 10 in einer Wand 12 angeordnet, die innerhalb einer Gasturbinenmaschine 14 heißem Kerngas ausgesetzt ist. Unter Betriebsbedingungen ist typischerweise Kühlluft auf einer Seite der Wand 12 vorhanden und heißes Kerngas ist auf der entgegengesetzten Seite der Wand 12 vorhanden. Mögliche Anwendungen des Mikrokreises 10 gemäß der vorliegenden Erfindung beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf Brennräume 16 und Brennraummäntel 18, äußere Luftdichtungen 20 von Laufschaufeln, Turbinenabgasmäntel 22, Verstärkungsmäntel 24, Düsen 26, Statorleitschaufeln 28 und Rotorschaufeln 30. Um eine ausführliche Beschreibung zur Verfügung zu stellen, wird der vorliegende Mikrokreis 10 in Bezug auf die Anwendung in einer Rotorschaufel 30 beschrieben. 2 zeigt den Mikrokreis 10, der in einem Strömungsprofilbereich 32 einer Turbinenrotorschaufel 30 angeordnet ist, obwohl der Mikrokreis 10 auch im Plattformbereich 34 angeordnet sein kann.
Bezugnehmend auf 3 ist ein Kühl-Mikrokreis 10 gezeigt, der in einer Wand 12 zwischen einer ersten Fläche 33 und einer zweiten Fläche 35 der Wand 12 angeordnet ist. Jedes Ausführungsbeispiel eines Mikrokreises 10 weist eine Passage 11 auf, die aus mehreren Segmenten 36 besteht, die in Serie mit einer oder mehreren Kammern 38, einer Einlassöffnung 40 und einer Austrittsöffnung 42 verbunden sind. Jede Kammer 38 hat eine Querschnittsströmungsfläche, die größer als die Querschnittsströmungsfläche eines Segments 36 ist. Der Strömungsquerschnitt jeder Kammer ist groß genug, um zu bewirken, dass sich Kühlluft, die aus einem Segment 36 austritt, ausbreitet und an Geschwindigkeit verliert, und groß genug, um zu bewirken, dass Strömung, die aus einer Kammer austritt, zusammengeführt wird und an Geschwindigkeit zunimmt. Die Änderungen der Geschwindigkeit der Kühlluft und die sich daraus ergebenden Änderungen im Druck der Kühlluft über ein Segment 36 zeigen, wie die Kühlluft innerhalb des Segments 36 dosiert wird. Die Einlassöffnung 40 verbindet die Passage 11 mit einer Seite der Wand 12. Die Austrittsöffnung 42 verbindet die Passage 11 mit der entgegengesetzten Seite der Wand 12. Die Einlass- und Austrittsöffnungen 40, 42 können in einem Segment 36 oder in einer Kammer 38 angeordnet sein. Kühlluft auf der Seite der Einlassöffnung der Wand 12 tritt durch die Einlassöffnung 40 in die Passage ein und tritt durch die Austrittsöffnung 42 aus.
Jedes Ausführungsbeispiel eines Kühl-Mikrokreises kann einen Wandflächenbereich von bis zu 0,1 qz (64,5 mm²) belegen. Es ist jedoch üblicher, dass ein Mikrokreis 10 einen Wandflächenbereich von weniger als 0,06 qz (38,7 mm²) belegt, und die Wandfläche von bevorzugten Ausführungsbeispielen belegen typischerweise einen Wandflächenbereich näher bei 0,01 qz (6,45 mm²). Die Größe der Segmente der Passage wird in Abhängigkeit von der Anwendung variieren, aber in den meisten Ausführungsbeispielen ist die Querschnittsfläche des Segments 36 kleiner als 0,001 qz (0,6 mm²). Die Segmente in den am meisten bevorzugten Ausführungsbeispielen haben eine Querschnittsfläche zwischen 0,0001 und 0,0006 qz (0,064 mm² und 0,403 mm²) mit einer im Wesentlichen rechteckigen Form. Für die Zwecke dieser Offenbarung soll die Quer schnittfläche eines Segments 36 (oder einer Kammer 38) als ein Querschnitt definiert sein, der entlang einer Ebene genommen wird, die im Wesentlichen rechtwinklig zur Richtung des Kühlluftstroms durch das Segment 36 (oder die Kammer 38) ist.
Bezugnehmend auf die 3 und 4 weist die Passage 11 in einem Ausführungsbeispiel des vorliegenden Mikrokreises 10 eine Reihe von Segmenten 36 auf, die durch die Kammern 38 verbunden sind, die in einer spiralartigen Anordnung angeordnet sind. Das Beispiel dieses Ausführungsbeispiels, das in den 3 und 4 gezeigt ist, beinhaltet vier Segmente 36 und fünf Kammern 38. Das erste Segment 44 und das dritte Segment 46 sind im Wesentlichen parallel zueinander und durch ein zweites Segment 48 verbunden, das sich im Wesentlichen rechtwinklig zu dem ersten und dem dritten Segment 44, 46 erstreckt. Das vierte Segment 50 erstreckt sich in den Bereich, der von dem ersten, dem zweiten und dem dritten Segment 44, 48, 46 umgeben ist, was dem Mikrokreis 10 seinen spiralartigen Aufbau gibt. Die erste Kammer 52 ist an einem Ende des ersten Segments 44 angebracht. Die Einlassöffnung 40 ist in der ersten Kammer 52 angeordnet und verbindet die Passage 11 mit einer Seite der Wand 12. Die zweite Kammer 54 verbindet das erste und das zweite Segment 44, 48, die dritte Kammer 56 verbindet das zweite Segment 48 und das dritte Segment 46 und die vierte Kammer 58 verbindet das dritte Segment 46 und das vierte Segment 50. Die fünfte Kammer 60 ist an einem Ende des vierten Segments 50 angebracht. Die Austrittsöffnung 42 ist in der fünften Kammer 60 angeordnet und verbindet die Passage 11 mit der entgegengesetzten Seite der Wand 12.
5 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel des vorliegenden Mikrokreises 10, in dem die Passage vier Kammern 38 und drei Segmente 36 aufweist, die in einer im Wesentlichen linearen Anordnung angeordnet sind. Die Passage 11 kann eine Vielfalt von Konfigurationen von Segmenten 36 einnehmen, die in Reihe durch Kammern 38 verbunden sind und die nicht auf die hier zur Erklärung angegebenen Beispiele beschränkt sind.
Bezugnehmend auf 6 weist die Passage 11 in einigen Ausführungsbeispielen eine Anzahl von Segmenten 36 mit schrittweise abnehmender Länge (L₁ > L₂ > L₃) auf, die durch Kammern 38 verbunden sind. Das längste der schrittweise kürzer werdenden Segmente 36 ist mit der Einlassöffnung 40 verbunden. An der Einlassöffnung 40 ist der Temperaturunterschied zwischen der Fluidtemperatur und der Wand der Passage am größten. Das kürzeste der schrittweise kürzer werdenden Segmente 36 ist mit der Austrittsöffnung 42 verbunden. An der Austrittsöffnung 42 ist der Temperaturunterschied zwischen der Fluidtemperatur und der Wand der Passage am geringsten. Das schrittweise Verringern der Länge der Segmente 36 innerhalb der Passage 11 hilft, die Abnahme von ΔT_lm in jedem der aufeinander folgenden Segmente 36 auszugleichen. Die schrittweise geringer werdende Länge der Segmente beeinflusst die Wärmeübertragungsrate durch Verringern des Einflusses der exponentiell abnehmenden Temperaturdifferenz positiv.
Bezugnehmend auf die 3 und 4 hat in einigen Ausführungsbeispielen jedes der aufeinander folgenden Segmente 36 eine Querschnittfläche, die größer als die des vorherigen oder "strömungsaufwärtigen" Segments 36 ist (d. h., die Querschnittfläche des zweiten Segments ist größer als die Querschnittfläche des ersten Segments). Die Zunahme in der Querschnittfläche (A_Sn) des Segments kann z. B. dadurch erreicht werden, dass die Höhe (H) der Segmente 36 konstant gehalten wird und die Breite (W_n) der aufeinander folgenden Querschnittfläche pro Segment 36 so gewählt wird, dass sie über jedes Segment 36 für einen vorgegebenen Satz von Betriebsbedingungen (z. B. P_C1/P_C2 ~ P_C2/P_C3) ein im Wesentlichen konstantes Druckverhältnis in der Kammer (P_Cn) erzeugt. Das im Wesentlichen konstante Druckverhältnis in der Kammer über jedes Segment 36 erzeugt eine Kühlluftgeschwindigkeit in jedem Segment 36, die im Wesentlichen gleich der Kühlluftgeschwindigkeit in jedem anderen Segment 36 ist. Als ein Ergebnis wird die Kühlluft statt nur über die Einlass- und die Austrittsöffnung 40, 42 im Wesentlichen gleichmäßig über jedes Segment 36 dosiert. Wie zuvor gesagt, ist konvektive Wärmeübertragung eine Funktion der Reynolds-Zahl und daher der Mach-Zahl der Kühlluft, die innerhalb eines Segments 36 strömt. Die Fähigkeit des vorliegenden Mikrokreises 10, eine Kühlluftgeschwindigkeit bereitzustellen, die in jedem Segment 36 im Wesentlichen gleich ist, ermöglicht es, dass der Kühlkreis 10 eine optimale Mach-Zahl für einen vorgegebenen Satz von Betriebsbedingungen und daher eine optimale Wärmeübertragung bei diesen Betriebsbedingungen bereitstellt.
Unter typischen Betriebsbedingungen innerhalb des Turbinenbereichs einer Gasturbinenmaschine wird die Mach-Zahl der Kühlluft innerhalb des Mikrokreises wahrscheinlich in der Nähe von 0,3 liegen. Mit einer Mach-Zahl in diesem Bereich wird sich der Einlassbereich innerhalb eines typischen Segments 36 wahrscheinlich irgendwo zwischen 5 und 50 Durchmessern (Durchmesser = hydraulischer Durchmesser des Segments) erstrecken. Offensichtlich wird die Länge des Segments 36 bestimmen, welcher Prozentteil der Länge des Segments durch Einlassbereich-Geschwindigkeitsprofileffekte gekennzeichnet ist; d. h., in einem kürzeren Segment wird ein erhöhter Prozentsatz seiner Länge durch Einlassgeschwindigkeitsprofileffekte gekennzeichnet sein. Vorzugsweise werden in einem Segment 36 innerhalb des vorliegenden Mikrokreises 10 in wenigstens 50% seiner Länge Eingangsbereichseffekten vorliegen.
Für jeden gegebenen Satz von Betriebsbedingungen stellt jedes der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele eines Mikrokreises 10 eine spezielle Wärmeübertragungsleistung bereit. Es kann daher vorteilhaft sein, in denjenigen Anwendungen, in denen das thermische Profil der zu kühlenden Wand nicht einheitlich ist, mehr als ein Ausführungsbeispiel des vorliegenden Mikrokreises zu verwenden. Die Mikrokreise 10 können verteilt werden, um zu dem nicht einheitlichen thermischen Profil der Wand 12 zu passen und dies auszugleichen und dadurch die Kühleffizienz der Wand 12 zu erhöhen.
Obwohl diese Erfindung in Bezug auf detaillierte Ausführungsbeispiele gezeigt und beschrieben worden ist, werden Fachleute verstehen, dass verschiedene Änderungen in der Form und den Einzelheiten gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Z. B. beschreibt die obige ausführliche Beschreibung das bevorzugte Ausführungsbeispiel, in dem das Druckverhältnis in der Kammer über jedes Segment in einer Passage im Wesentlichen gleich dem Druckverhältnis in der Kammer über andere Segmente innerhalb der Passage ist. In einigen Fällen kann es jedoch vorteilhaft sein, die Druckverhältnisse in der Kammer über die Segmente innerhalb einer Passage zu variieren, um die vorhandene Kühlanwendung anzupassen.

Claims

Kühlbare Wand (12) in oder zur Verwendung in einer Gasturbinenmaschine, wobei die Wand eine erste Seite und eine zweite Seite hat, aufweisend: mindestens eine in der Wand angeordnete Kühlluftpassage (11); eine Einlassöffnung (40), die die Passage (11) mit der ersten Seite der Wand (12) verbindet; eine Austrittsöffnung (42), die die Passage (12) mit der zweiten Seite der Wand (12) verbindet; wobei Kühlluft an der ersten Seite der Wand (12) in die Passage durch die Einlassöffnung (40) eintreten und zu der zweiten Seite der Wand durch die Austrittsöffnung (42) durchströmen kann; und wobei die Passage (11) eine Mehrzahl von Segmenten (36) aufweist, wobei jedes genannte Passagensegment (36) ein erstes und ein zweites Ende hat, die längs entlang der Wand (12) beabstandet sind, wobei die Segmente Ende an Ende in Serie durch eine Mehrzahl von Kammern (38) verbunden sind, wobei jedes genannte Passagensegment (36) eine Strömungsquerschnittsfläche hat, die kleiner ist als eine Strömungsquerschnittsfläche der Kammern (38); dadurch gekennzeichnet, dass die Passage (11) den einzigen Strömungspfad von der Einlassöffnung (40) zu der Austrittsöffnung (42) bildet.
Strömungsprofil, aufweisend: einen Hohlraum; eine Wand (12), wie in Anspruch 1 beansprucht, die den Hohlraum umgibt; wobei die Einlassöffnung (40) die Passage (11) mit dem Hohlraum verbindet und die Austrittsöffnung (42) die Passage (11) mit einem Bereich außerhalb des Strömungsprofils verbindet; und wobei Kühlluft innerhalb des Hohlraums in die Passage (11) durch die Einlassöffnung (40) eintritt und aus der Passage (11) durch die Austrittsöffnung (42) austritt.
Strömungsprofil oder Wand nach Anspruch 1 oder 2, wobei weiterhin jedes folgende Segment (36) eine größere Strömungsquerschnittsfläche als jegliches stromaufwärts gelegenes genanntes Segment (36) hat.
Strömungsprofil oder Wand nach irgendeinem vorstehenden Anspruch, wobei die genannten Segmente (36) relativ zueinander so dimensioniert sind, dass während des Betriebs ein Verhältnis von Kammerdruckwerten längs über jedes genannte Segment vorhanden ist und die Verhältnisse von Kammerdruckwerten längs über jedes genannte Segment (36) einander im Wesentlichen gleich sind.
Strömungsprofil oder Wand nach irgendeinem vorstehenden Anspruch, wobei die Kammern (38) und die genannten Segmente (36) relativ so dimensioniert sind, dass jedes genannte Segment (36) Kühlluftströmung bemisst, die zwischen einem Paar der Kammern (38) strömt.
Strömungsprofil oder Wand nach irgendeinem vorstehenden Anspruch, wobei die Kühlluftpassage (11) einen Wandflächenbereich belegt, der nicht größer als 0,1 Quadratzoll (64,5 mm²) ist.
Strömungsprofil oder Wand nach Anspruch 6, wobei die Kühlluftpassage (11) einen Wandflächenbereich belegt, der nicht größer als 0,06 Quadratzoll (38,7 mm²) ist.
Strömungsprofil oder Wand nach irgendeinem vorstehenden Anspruch, wobei jedes genannte Segment (36) eine Querschnittsfläche hat, die nicht größer als 0,001 Quadratzoll (0,645 mm²) ist.
Strömungsprofil oder Wand nach Anspruch 8, wobei jedes genannte Segment (36) eine Querschnittsfläche hat, die nicht größer als 0,0006 Quadratzoll (0,4 mm²) und nicht kleiner als 0,0001 Quadratzoll (0,06 mm²) ist.
Strömungsprofil nach irgendeinem vorstehenden Anspruch, wobei die Mehrzahl von Segmenten (36) ein erstes (44) und ein drittes (46) Segment, die im Wesentlichen parallel zueinander positioniert sind, ein zweites Segment (48), das sich im Wesentlichen senkrecht zu dem ersten (44) und dem dritten (46) Segment zwischen dem ersten (44) und dem dritten (46) Segment erstreckt, und ein sich zwischen dem ersten (44) und dem dritten (46) Segment erstreckendes viertes Segment enthält.
Strömungsprofil oder Wand nach irgendeinem vorstehenden Anspruch, wobei weiterhin jedes folgende Segment (36) eine kürzere Länge als jegliches stromaufwärts gelegenes genanntes Segment (36) hat.