DE60220347T2

DE60220347T2 - Methode zur Verbesserung des Wärmeübergangs in einem mit Turbulatoren versehenen Kühlkanal

Info

Publication number: DE60220347T2
Application number: DE60220347T
Authority: DE
Inventors: Ching-Pang Cincinnati Lee; Rong-Shi Paul Glenmont Chiu
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2001-08-09
Filing date: 2002-08-09
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2022-08-10
Also published as: US6582584B2; JP4216540B2; EP1283327A3; US20020025248A1; DE60220347D1; JP2003176704A; EP1283327A2; KR20030014632A; EP1283327B1; KR100733174B1

Description

Diese Anmeldung steht mit den gemeinsam übertragenen US Anmeldungen mit den Serien Nr.: 60/149,616 mit dem Titel "A Method and Tool for Electrochemical Machining"; 60/149,618 mit dem Titel "A Method and Tool for Electrochemical Machining"; 60/149,617 mit dem Titel "A Method and Tool for Electrochemical Machining",: 08/187,663 mit dem Titel "A Method and Tool for Electrochemical Machining"; 08/187,664 mit dem Titel "Process for Fabricating a Tool Used in Electrochemical Machining" und 60/149,619 mit dem Titel "A Method and Tool for Electrochemical Machining"; und 09/688,579 mit dem Titel "Electromechanical Machining Process, Electrode Therefor and Turbine Gucket With Turbulated Cooling Passages" in Zusammenhang.
Diese Erfindung betrifft Kühlkanäle in Turbinenkomponenten wie zum Beispiel Leitschaufeln oder Laufschaufeln und insbesondere Kühlkanäle mit Verwirbelung, welche die Wärmeübertragung und somit den Kühlwirkungsgrad verbessern.
Wirkungsgrade von Gasturbinen sind direkt proportional zu der Temperatur der Turbinengase, die entlang dem Heißgaspfad strömen und die Turbinenlaufschaufeln antreiben. Gasturbinen haben typischerweise Arbeitstemperaturen in der Größenordnung von 1482°C (2700°F). Um diesen hohen Temperaturen zu widerstehen sind die Laufschaufeln aus fortschrittlichen Materialien hergestellt und enthalten typischerweise Kühlkanäle mit glatter Innenwandung, um ein Kühlmedium, typischerweise Kompressorauslassluft durch die Schaufeln strömen zu lassen. Die Kanäle erstrecken sich typischerweise von dem radial inneren Schaufelfuß zu der radial äußeren Schaufelspitze. Obwohl bis her Kanäle mit glatter Innenwandung verwendet wurden, werden auch Verwirbelungsförderer, wie zum Beispiel Verwirblungselemente, in vielen Gasturbinenschaufeln verwendet, um den internen Wärmeübertragungskoeffizienten zu verbessern. Die Wärmeübertragungsverbesserung kann im Vergleich zu Kanälen mit glatter Innenwandung für dieselbe Kühlungsströmungsrate bis zu 2,5-mal höher sein.
Verwirbelungselemente bestehen herkömmlicherweise aus interne Stegen oder aufgerauten Oberflächen entlang der Innenoberfläche der Kühlkanäle, und werden typischerweise unter Verwendung von Keramikkernen in die Kühlkanäle mit eingegossen. In vielen von derzeit eingesetzten Turbinen weisen jedoch viele von den Schaufeln Innenkühlkanäle mit glatten Innenhandflächen auf, welche durch den Gießprozess ausgebildet werden, und daher nicht die verbesserten Kühleffekte aufweisen, welche ansonsten mit Verwirbelungselementen erzielbar sind. Viele Schaufeln von Energieerzeugungsturbinen verwenden mittels STEM (Shaped Tube Electrochemical Machining) gebohrte kreisrunde Löcher zum Ausbilden der radialen Kühlungsströmungskanäle innerhalb der Turbinenschaufelblätter. STEM wird für berührungsloses Bohren kleiner, tiefer Löcher in elektrisch leitenden Materialien mit hohen Aspektverhältnissen wie zum Beispiel 300:1 verwendet. Das Aspektverhältnis ist das Verhältnis der Länge oder Tiefe des Loches zu der größten lateralen Abmessung, zum Beispiel dem Durchmesser des Loches, welcher in bestimmten spezifischen Anwendungen nur einige wenige Millimeter sein kann. Der STEM-Prozess entfernt Material durch elektrolytische Auflösung unter Ausnutzung eines elektrischen Stromflusses zwischen einer Elektrode und dem Werkstück über einen in dem Zwischenraum strömenden Elektrolyten.
Stege oder ringförmige Verwirbelungsringe in den Kühlkanälen können während des STEM-Bohrprozesses gemäß Beschreibung in der '579 Anmeldung erzeugt werden. Diese runden Verwirbelungsringe ragen in den Kanal senkrecht zu der Kühlungsströmungsrichtung vor, um Turbulenzwirbel zur Wärmeübertragungsverbesserung innerhalb des Kühlkanals zu erzeugen. Typischerweise sammeln die Oberflächen zwischen den Ringen nach einer Feldeinsatzdauer Schmutz aus der Kühlluft an, und bilden eine unerwünschte Isolationsschicht und reduzieren dadurch den Kühlwirkungsgrad. Man hätte gerne verbesserte Eigenschaften, die die Wärmeübertragung weiter verbessern und auch die Schmutzansammlung innerhalb des mittels STEM gebohrten Verwirbelungskühlkanals verringern und somit den Kühlwirkungsgrad aufrechterhalten kann.
In dem Verfahren dieser Erfindung werden bereits erzeugte Verwirbelungsringe modifiziert, so dass sie axial ausgerichtete Spalte enthalten, welche zusätzliche Luftpfade bereitstellen und Stagnationsströmungsbereiche zwischen den Ringen verhindern. Es sei ferner angemerkt, dass die Erzeugung von Spalten in Verwirbelungsringen bereits aus US-B-6 234 752 bekannt ist.
Um die Spalte unter Anwendung des STEM-Prozesses auszubilden, wird eine Elektrode mit einem etwas kleineren Querschnitt als der existierende radiale Kühlkanal gewählt. Die Elektrode weist ein isolierendes dielektrisches Material oder eine Beschichtung auf der gesamten Außenoberfläche auf. Ein Teil der Beschichtung wird anschließend beispielsweise unter Anwendung einer Laserabtragungstechnik entfernt, um ein gewünschtes Spaltmuster zu erzeugen. Der axiale Abstand zwischen Spalten ist gleich dem Abstand zwischen den Verwirbelungsringen in dem Kühlkanal. In Umfangsrichtung sind wenigs tens zwei Spalte für jeden Ring vorgesehen. Die Spalte können entweder zwischen benachbarten Ringen ausgerichtet oder versetzt sein. Die strukturierte Elektrode wird dann innerhalb des existierenden Kühlkanals unter Anwendung des STEM-Prozesses eingesetzt, um mehrere axial ausgerichtete Spalte in den Verwirbelungsringen zu erzeugen. Insbesondere löst die strukturierte Elektrode in Verbindung mit einem Elektrolyten und der Anlegung eines elektrischen Stroms zwischen der Elektrode und dem Werkstück (Schaufel) Metall von den benachbarten Teilen der Verwirbelungsringe, um die axialen Spalte in den Ringen auszubilden. Wie bereits erwähnt, erzeugen diese Spalte zusätzliche Luftpfade derart, dass, wenn Luft über die Kanten der Spalte strömt, zusätzliche Turbulenzwirbel erzeugt werden, um die Oberflächenwärmeübertragung und somit den Kühlwirkungsgrad zu verbessern, während gleichzeitig die Schmutzansammlung reduziert wird.
Demzufolge betrifft die Erfindung in ihren breiteren Aspekten ein Verfahren zur Verbesserung der Wärmeübertragung und des Kühlwirkungsgrades in einem Kühlkanal, welches die Ausbildung mehrerer Verwirbelungsringe in dem Kanal, wobei die Ringe nach innen im Wesentlichen senkrecht zu einer Kühlungsstromrichtung in dem Kanal vorstehen; und die Verwendung einer strukturierten Elektrode, welche wenigstens einen Spalt in einem oder mehreren von den Verwirbelungsringen erzeugt, wobei sich der wenigstens eine Spalt parallel zu der Strömungsrichtung erstreckt, umfasst.
Bevorzugt weist das Verfahren die Schritte auf: (a) Platzieren einer Elektrode mit einem durch nicht-isolierte Abschnitte unterbrochenen elektrischen Isolationsmaterial in dem Kanal, um somit ein Muster nicht-isolierter Abschnitte der Elektrode um eine Außenoberfläche der Elektrode herum im Wesentlichen gegenüber gewünschten Stellen der Spalte in den Verwirbelungsringen zu erzeugen; (b) Durchströmenlassen eines Elektrolyten durch den Kühlkanal zwischen der Elektrode und einer Innenoberfläche des Kühlkanals; und (c) Durchleiten eines elektrischen Stroms zwischen der Elektrode und dem Werkstück, um die Spalte in den Verwirbelungsringen auszubilden.
Die Erfindung wird nun detaillierter im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 ein Querschnitt eines herkömmlichen Kühlkanal mit Verwirbelung ist;
2 ein schematischer Seitenaufriss einer strukturierten Elektrode gemäß der Erfindung ist;
3 ein Querschnitt ähnlich dem 1 jedoch mit der darin eingesetzten Elektrode von 2 ist;
4 eine teilperspektivische Ansicht eines Kühlkanals mit Verwirbelung mit Wärmeübertragungs-Verbesserungsspalten gemäß der Erfindung ist.
Gemäß 1 wird ein Kühlkanal 10 in einer Maschinenkomponente 12 (zum Beispiel in einer Leit- oder Laufschaufel einer Hochdruckturbine) typischerweise mit einer glatten Innenwandung ausgebildet, wenn die Schaufel (oder andere Komponente) gegossen wird. Danach wird der Kanal umgeformt, so dass er mehrere ringförmige Stege oder Verwirbelungsringe 14 in axialen Abständen im Wesentlichen entlang der gesamten Länge des Kanals enthält. Die Verwirbelungsringe 14 können mittels eines STEM-Bohrprozesses mittels einer strukturierten Elekt rode erzeugt werden, was zu der Ausbildung von runden Nuten unter Stehen lassen von Verwirbelungsringen dazwischen führt, welche. Mit anderen Worten der ursprüngliche Kanaldurchmesser ist im Wesentlichen derselbe wie der Innendurchmesser der Verwirbelungsringe. In der '579 Anmeldung werden die Verwirbelungsringe und Spalte in einem einzigen Schritt erzeugt. Die vorliegende Erfindung wendet STEM-Bohren an, um eine Verbesserung bereitzustellen, die bei existierenden Kanälen mit Verwirbelung, die keine Spalte in den Ringen haben, "nachgerüstet" werden kann.
2 stellt eine Elektrode 16 dar, die dafür ausgelegt ist, axial ausgerichtete um den Umfang angeordnete Spalten in den zuvor erzeugten Verwirbelungsringen 14 zu erzeugen. Insbesondere ist die Elektrode 14 ein hohles zylindrisches Rohr mit einem etwas kleineren Außendurchmesser als der Durchmesser des Kanals 10 und insbesondere kleiner als der Innendurchmesser der Verwirbelungsringe 14. In der exemplarischen Ausführungsform ist der Innendurchmesser der Elektrode etwa um 0,127 mm (0,005 in) kleiner als der Innendurchmesser der Verwirbelungsringe 14. Die Elektrode 16 ist mit einer dielektrischen oder elektrisch isolierenden Beschichtung 18 im Wesentlichen über ihre gesamte Länge beschichtet. Abschnitte der Beschichtung 18 sind selektiv beispielsweise mittels eines Laserabtragungsverfahrens entfernt, um ein gewünschtes Spaltmuster gemäß Darstellung in 2 zu erzeugen. Die Form, Größe und der axiale Abstand der nun freigelegten (das heißt nicht isolierten) Abschnitte 20 der Elektrode entsprechen den gewünschten Spalten 22 in den Verwirbelungsringen 14. Insbesondere arbeiten die nicht isolierten Spaltenabschnitte mit den zwischen der Elektrode 16 und den Verwirbelungsringen hindurch geführten Elektrolyten und der Anlegung von Strom zwischen der Elektrode und der Schaufel zusammen, um Metallmaterial von den Verwirbelungsringen 14 direkt angrenzend an die freigelegten Abschnitte 20 auf der Elektrode zu entfernen. Wenigstens einen und bevorzugt zwei Spalt(e) 22 hat man bevorzugt in Umfangsrichtung pro Verwirbelungsring 14 und die Spalte 22 können zwischen benachbarten Verwirbelungseinrichtungen ausgerichtet oder versetzt sein.
Die Spalte 22 erzeugen zusätzliche Luftpfade und verhindern die Ausbildung von Stagnationsströmungsbereichen zwischen den Verwirbelungseinrichtungen. Wenn Luft durch die Spalte 22 hindurch tritt, werden zusätzliche Turbulenzwirbel erzeugt, um die Oberflächenwärmeübertragung zu verbessern. Die Spalte 22 reduzieren auch die Schmutzansammlung zwischen den Verwirbelungsringen, um dadurch den Kühlwirkungsgrad aufrecht zu erhalten.

Claims

Verfahren zur Verbesserung der Wärmeübertragung und des Kühlungswirkungsgrades in einem Kühlkanal (10), welches die Ausbildung von mehreren Verwirbelungsringen (14) in dem Kanal umfasst, wobei die Verwirbelungsringe nach innen im Wesentlichen senkrecht zu einer Kühlungsstromrichtung in dem Kanal vorstehen, gekennzeichnet durch einen getrennten Schritt einer Verwendung einer strukturierten Elektrode (16), welche wenigstens einen Spalt (22) in einem oder mehreren von den Verwirbelungsringen (14) erzeugt, wobei sich der wenigstens eine Spalt parallel zu der Strömungsrichtung erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei wenigstens ein Spalt (22) in jedem von den mehreren Verwirbelungsringen (14) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei wenigstens zwei Spalte (22) in jedem von den mehreren Verwirbelungsringen (14) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verwirbelungsringe (14) und die Spalten (22) durch elektrochemische Bearbeitung erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Spalte in den Verwirbelungsringen (14) in Umfangsrichtung zu Spalten in benachbarten Verwirbelungsringen ausgerichtet sind.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Spalte in den Verwirbelungsringen (14) in Umfangsrichtung in Bezug auf Spalten in benachbarten Verwirbelungsringen versetzt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Erzeugung die Erzeugung mittels einer Elektrode umfasst, die mit einer Isolation über ihrer gesamten Außenoberfläche mit der Ausnahme von freigelegten Abschnitten, die dem wenigstens einem Spalt entsprechen, beschichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vorspringenden Verwirbelungsringe in einem Kühlkanal in einem Werkstück angeordnet sind, wobei der Erzeugungsvorgang ferner die Schritte umfasst: Platzieren einer Elektrode mit einem durch nicht-isolierte Abschnitte unterbrochenen elektrischen Isolationsmaterial in dem Kanal, um somit ein Muster nicht-isolierter Abschnitte der Elektrode um eine Außenoberfläche der Elektrode herum im Wesentlichen gegenüber gewünschten Stellen der Spalte in den Verwirbelungsringen zu erzeugen; Durchströmenlassen eines Elektrolyten durch den Kühlkanal zwischen der Elektrode und einer Innenoberfläche des Kühlkanals; und Durchleiten eines elektrischen Stroms zwischen der Elektrode und dem Werkstück, um die Spalte in den Verwirbelungsringen auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Kühlkanal in einer Leitschaufelkomponente einer Gasturbine angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Kühlkanal in einer Laufschaufelkomponente einer Gasturbine angeordnet ist.