-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
(1) Gebiet der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Mikrokreis-Kühlpassage, die in einem Teil
hergestellt ist und in einer Schlitzfilmöffnung endet, welche eine verbesserte
Filmüberdeckung
schafft, die durch das schnelle Expandieren und Auswerfen eines
Kühlmittelgases
durch die Schlitzfilmöffnung
und über
die Oberfläche
des Teils gebildet wird. Insbesondere betrifft die Erfindung ein
Verfahren zum Inkorporieren von Mikrokreisen, die Schlitzfilmöffnungen
aufweisen, in Teile, welche Kühlung
benötigen,
um so einen Schutzfilm aus Kühlluft über der
Oberfläche
des Teils zu bilden sowie den konvektiven Wärmeübertrag aus dem Inneren des
Teils zu erleichtern.
-
(2) Beschreibung von verwandter
Technik
-
Das
Filmkühlen
von Strömungsprofilen hängt von
dem Gaswegimpuls eines Gases ab, welches sich über die Oberfläche des
Strömungsprofils bewegt,
um mit dem Impuls der Filmluft wechselzuwirken und die Filmluft über die
Oberfläche
des Strömungsprofils
zu zwingen. Wenn der Impuls der Filmluft zu hoch ist, dringt die
Filmluft in die Gaswegluft ein und haftet nicht an der Oberfläche an.
Dieses Phänomen
wird Abblasen (blow-off) genannt und ist schädlich für die Filmkühlung.
-
Filmöffnungen
und -schlitze, durch welche Filmluft austreten kann, sind diskrete
Merkmale an der Strömungsprofil-Oberfläche. Eine
Reihe von Öffnungen
ist häufig
rechtwinklig zu der Gaswegströmungsrichtung
definiert. Diese Reihe von Öffnungen treibt
einen Film aus, der den Bereich strömungsabwärts der Öffnungen kühlt. Zwischen den Öffnungen in
einer Reihe gibt es keinen Film aus dieser Reihe. Dieser Bereich
hängt von
der Wärmeleitung
in dem Metall ab, um die Oberfläche
zu kühlen,
und deshalb sieht das Metall etwas höhere Temperatur als der Durchschnitt
der Filmtemperatur und der Gastemperatur. Durch das Erhöhen der
Größe der Austritte
der Filmöffnungen
kann die Überdeckung
der Öffnungen verbessert
werden. Das kann durch die Verwendung von mehr Öffnungen und mehr Kühlströmung oder durch
Diffusion der die Öffnung
verlassenden Luft erfolgen, so dass die gleiche Durchflußmenge mehr Fläche belegt,
und diese Fläche
kann rechtwinklig zu der Gaswegströmungsrichtung ausgedehnt sein
und die Überdeckung
der Filmreihe erhöhen.
Das erhöht den
Prozentsatz der Strömungsprofil-Oberfläche, die von
dem Film überdeckt
ist, verringert die durchschnittliche Filmtemperatur und verringert
die Menge an Oberfläche,
die von der Wärmeleitung
zum Kühlen
abhängt.
-
Mit
Bezugnahme auf die 1a und 1b ist
ein im Technikgebiet bekannter Kühlkanal
gezeigt. Kühlmittelgas 27 wird
durch das Innere eines Teils zirkuliert und tritt als Austrittsgas 28 durch
eine Öffnung 22 aus
und geht durch die Oberfläche 12 des Teils.
Gasströmung 24 wird über die
Oberfläche 12 des
Teils gezogen und ist hier von links nach rechts über die
Oberfläche 12 des
Teils sich bewegend gezeigt. Die Gasströmung 24 wird normalerweise
als das Ergebnis der Bewegung des Teils, häufig in einer rotationsmäßigen Weise,
durch ein Gas erzeugt. Das Austrittsgas 28 tritt aus der Öffnung 22 in
einer Richtung aus, die im Wesentlichen normal zu der Oberfläche 12 des
Teils ist. Beim Verlassen der Öffnung 22 reagiert
das Austrittsgas 28 auf die Gasströmung 24 und bewegt
sich im Folgenden generell in der Richtung, welche der Richtung
entspricht, in der sich die Gasströmung 24 bewegt. In
der Folge wird Austrittsgas 28 über die Oberfläche 12 des
Teils gezogen und liegt tendenziell eng daran an und bildet einen
Film 26.
-
Es
ist deshalb vorteilhaft, die Anordnung der Öffnungen 22 auf einer
Oberfläche 12 eines
Teils derart zu konfigurieren, dass der sich ergebende Film 26,
bestehend aus Kühlluft,
eine Schutzschicht über dem
Teil bildet. Eine im Technikgebiet bekannte Konfiguration ist in 1c gezeigt.
Eine Mehrzahl von Öffnungen 22 ist
entlang einer Achse 20 angeordnet, wobei die Achse 20 generell
rechtwinklig zur Richtung der Gasströmung 24 verläuft. Jede Öffnung hat eine
Breite, die gleich der Ausbruchs-Höhe 16 ist. Die Schnittweite 18 wird
berechnet als der Abstand entlang der Achse 20, der für eine einzige
Wiederholung einer Öffnung 22 erforderlich
ist. Deshalb ist die von einem solchen Muster von Öffnungen
gelieferte lineare Überdeckung
gleich der Ausbruchs-Höhe 16 geteilt
durch die Schnittweite 18. Per Definition übernimmt
die Überdeckung
zu, wenn die Öffnungen
näher beieinander
beabstandet sind (die Schnittweite ab nimmt) oder, unter Beibehaltung
einer konstanten Schnittweite, die Breite der Öffnungen 22 erhöht wird (die
Ausbruchs-Höhe 16 erhöht wird).
Es ist deshalb bevorzugt, Öffnungen 22 in
einem Muster derart zu konfigurieren, dass die Überdeckung maximiert ist. Eine
derartige Konfiguration liefert die größte Überdeckung durch den Film 26 für die Oberfläche 12 des Teils.
-
Leider
ist es, wie erwähnt,
im Technikgebiet üblich,
dass das Austrittsgas 28 die Öffnung 22 in einer
Richtung rechtwinklig zur Oberfläche 12 des
Teils verlässt.
Wenn die Geschwindigkeit des Austrittsgases 28 zu groß ist, geht
das Austrittsgas 28 tendenziell ein Stück über die Oberfläche 12 des
Teils, bevor es mit der Gasströmung 24 reagiert.
In einem solchen Fall ist es möglich,
dass die Gasströmung 28 nicht
in der Lage ist, einen an der Oberfläche 12 des Teils anhaftenden
Film 26 zu bilden. Dieses Phänomen wird, wie erwähnt, als "Abblasen" bezeichnet. Abblasen
führt dazu,
dass das Austrittsgas 28 keinen effektiven schützenden
Kühlfilm 26 bildet.
Es ist deshalb theoretisch möglich, Öffnungen
mit Öffnungsmaßen zu konstruieren,
die mit der Annäherung
an die Oberfläche 12 des
Teils in dem Durchmesser zunehmen. Eine derartige Zunahme des Öffnungsmaßes würde dazu
dienen, die Geschwindigkeit des Austrittsgases 28 zu verringern
und die Ausbildung des Films 26 zu erhöhen. Jedoch ist das Ausmaß, auf welches
das Öffnungsmaß erhöht werden
kann, durch die Physik der Fluiddynamik auf einen relativ kleinen
Wert begrenzt. Eine Verlangsamung der Geschwindigkeit des Austrittsgases 28 durch
Verringern der Strömungsrate,
mit der das Kühlgas
durch das Teil gepumpt wird, verringert lediglich die Menge an Kühlgas, welches
verfügbar
ist, sich über
die Oberfläche 12 des
Teils auszubreiten. Es ist übliche
Praxis, die Kreiskanäle,
durch welche das Kühlgas
gepumpt wird, derart zu konfigurieren, dass die Strömung des Kühlgases
anhaftend bleibt und langsam durch die Kanäle und über die Oberfläche des
Teils diffundiert.
-
Eine
konventionelle Reihe von Öffnungen 22,
die entlang einer Achse 20 angeordnet sind, führt typischerweise
zu durchschnittlichen Überdeckungen
von 50%. Mit Bezugnahme auf die 6a ist eine
grafische Darstellung des Tempera turgradienten gezeigt, der sich
in einem Film ergibt, der von dem Austreten eines Kühlgases
durch eine Öffnung
resultiert. Die Bereiche 61' bis 61''' repräsentieren
Bereiche zunehmender Temperatur, die in einem Film präsent ist,
der an einer Oberfläche
des Teils gebildet ist und von einer Öffnung in der Richtung der
Gasströmung 24 weg
geht. Man beachte, dass die Breite der Bereiche 61' bis 61''' nicht
signifikant größer ist
als die Öffnung,
durch welche das Gas austritt. Deshalb bildet die konventionelle
Konfiguration von Öffnungen
einen Film aus Kühlluft
mit einer Überdeckung von
etwa 50%.
-
Deshalb
besteht ein Bedürfnis
für die
Konstruktion von Kühlkanälen, durch
welche sich ein Kühlgas
bewegen kann, die in der Lage sind, die Wärme zu absorbieren, die in
einem sich bewegenden Teil, beispielsweise einer Turbine, erzeugt
wird, die eine Austrittsgeschwindigkeit des Gases schafft, die niedrig
genug ist, um die Ausbildung eines Schutzfilms aus Kühlluft über der
Oberfläche
des Teils sicherzustellen. Ferner wird eine Konfiguration der Austrittsstellen
derartiger Kühlkanäle benötigt, die
eine Überdeckung
liefert, die größer als
die 50%-Überdeckung
ist, welche durch konventionelle Mittel erzielt wird.
-
Ein
Beispiel einer Kühlanordnung
ist in US-A-5 383 766 beschrieben.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Folglich
ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Kühlfilm über der
Oberfläche
eines Teils durch das Einbetten von Mikrokreisen unter der Oberfläche des
Teils zu bilden.
-
Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
bereitzustellen, wodurch Turbinenteile hergestellt werden können, welche
die Mikrokreise der vorliegenden Erfindung inkorporieren.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein eingebetteter Mikrokreis für das Erzeugen einer verbesserten
Kühlfilms über einer
Oberfläche
eines Teils gemäß Anspruch
1 bereitgestellt.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Teils mit
verbesserter Kühlströmung gemäß Anspruch
7 bereitgestellt.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1(a) eine grafische Querschnittsdarstellung
einer Kühlöffnung,
die im Technikgebiet bekannt ist.
-
1(b) eine perspektivische Darstellung
einer Kühlöffnung,
die im Technikgebiet bekannt ist.
-
1(c) eine perspektivische Darstellung
einer Mehrzahl von Kühlöffnungen,
die im Technikgebiet bekannt sind.
-
2(a) eine grafische Schnittdarstellung eines
Mikrokreises zum Kühlen.
-
2(b) eine perspektivische Darstellung
eines Mikrokreises zum Kühlen.
-
3 eine
perspektivische Darstellung einer Mehrzahl von Mikrokreisen, die
zum Kühlen
verwendet werden.
-
4 eine
perspektivische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform
eines Mikrokreises der vorliegenden Erfindung.
-
5 eine
perspektivische Darstellung einer Mehrzahl von Mikrokreisen der
vorliegenden Erfindung.
-
6(a) eine Darstellung des Temperaturgradienten
eines Films, der durch eine im Technikgebiet bekannte Öffnung erzeugt
wurde.
-
6(b) eine Darstellung des Temperaturgradienten
eines Films, der durch eine Schlitzfilmöffnung der vorliegenden Erfindung
erzeugt wurde.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM(EN)
-
Mikrokreise
bieten eine einfach herzustellende, maßschneiderbare, hoch effektive
konvektive Kühlung.
Zusammen mit der hoch effektiven konvektiven Eigenschaft ist die
Filmeffektivität
für eine
fortgeschrittene Kühlkonfiguration
gefordert. Es wird auf 2 Bezug genommen.
Dort ist ein Mikrokreis 5 gezeigt. Mikrokreise 5 können maschinell
oder auf irgendeine andere Weise in einem Teil geformt werden. In
einer bevorzugten Ausführungsform
werden die Mikrokreise aus Feuerfestmetallformen gebildet und in
der Teileform vor dem Gießen
eingeschlossen. Einige Feuerfestmetalle einschließlich Molybdän (Mo) und
Wolfram (W) haben Schmelzpunkte, die über den typischen Gießtemperaturen
von Superlegierungen auf Nickelbasis liegen. Diese Feuerfestmetalle
können
zu gewalzten dünnen
Blechen oder Formen in Größen hergestellt
werden, die erforderlich sind, um Kühlkanäle herzustellen, die charakteristisch
für solche
sind, die man bei Turbinen- und Brennkammer-Kühlkonstruktionen
findet. Insbesondere können
solche Mikrokreise in Teilen hergestellt werden, welche umfassen,
aber nicht darauf begrenzt sind, Brennkammerverkleidungen, Turbinenleitschaufeln,
Turbinenlaufschaufeln, Turbinen-BOAS, Leitschaufelendwände und
Strömungsprofilkanten.
Vorzugsweise sind solche Teile teilweise oder als Ganzes aus Legierungen
auf Nickelbasis oder Legierungen auf Cobaltbasis gebildet. Dünne Feuerfestmetallbleche
und -folien besitzen ausreichend Duktilität, um ein Biegen und Formen
zu komplexen Gestalten zu erlauben. Die Duktilität ergibt ein robustes Design,
welches in der Lage ist, einen Wachs/Schalen-Zyklus (waxing/shelling
cycle) zu überleben.
-
Nach
dem Gießen
kann das Feuerfestmetall entfernt werden, beispielsweise durch chemisches Entfernen,
thermisches Herausholen (thermal leeching) oder Oxidationsverfahren,
was einen den Mikrokreis 5 bildenden Hohlraum zurücklässt.
-
2a zeigen
einen Querschnitt eines solchen Mikrokreises 5. Kühlmittelgas 5 gelangt
durch einen Einlass in den Mikrokreis 5, geht durch den Kreiskanal 29 und
tritt durch eine Öffnung 22 als
Austrittsgas 28 aus. Der Kreiskanal 29 ist unter
der Oberfläche 12 des
Teils mit einem Abstand angeordnet, der etwa gleich dem Durchmesser
des Kreiskanals 29 und der Öffnung 22 ist. Es
wird auf 2b Bezug genommen. Dort ist
eine perspektivische Ansicht eines Mikrokreises 5 ge zeigt.
In einer bevorzugten Ausführungsform
nimmt der Mikrokreiskanal 29 ein hauptsächlich spiralförmiges Muster
an. Obwohl mit Bezugnahme auf ein spiralförmiges Muster gezeigt, sind
die Mikrokreise der vorliegenden Erfindung nicht darauf beschränkt. Stattdessen
ist die vorliegende Erfindung weit gefasst, um sämtliche und alle Muster mit
einzuschließen,
wie ein Mikrokanal 29 geformt sein kann, so dass eine passende
Menge als Wärmeübertrag
von dem Teil auf das Kühlmittel
bewerkstelligt wird.
-
Bei
einer Ausführungsform
geht eine einzige Öffnung 22 von
dem Kreiskanal 29 weg, durch welche das Austrittsgas 28 austreten
kann. Die relativ kleine Größe der Öffnung mit
einem Radius, der der Breite des Kreiskanals 29 angenähert ist,
wird verwendet, um die Menge an Gasströmung in dem Mikrokreis 5 zu
kontrollieren. Außerdem
erzwingt die Orientierung der Öffnung 22,
dass die Richtung, in der das Austrittsgas 28 die Öffnung 22 verlässt, etwa normal
zu der Oberfläche 12 des
Teils ist.
-
Es
wird auf 3 Bezug genommen. Dort ist eine
Mehrzahl von Mikrokreisen 5 gezeigt, die in einer Reihe
entlang einer Achse 20 konfiguriert sind. Man beachte,
dass die Ausdehnung über
jeden Mikrokreis 5 beträchtlich
weiter ist als der Radius jeder Öffnung 22.
In der Folge ist die Ausbruchs-Höhe 16 relativ
klein, verglichen mit der Schnittweite 18. Eine derartige
Konstruktion führt
typischerweise zu einer Überdeckung
(Ausbruchs-Höhe/Schnittweite)
von etwa 10%. Ein solcher Überdeckungswert
begrenzt die Filmeffektivität,
indem er eine relativ kleine Überdeckung
liefert.
-
Es
wird auf 4 Bezug genommen. Dort ist eine
bevorzugte Ausführungsform
eines Mikrokreises 5 der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Der Mikrokreis 5 ist gebildet, dass er eine Schlitzfilmöffnung 31 an
dem Ende eines Kreiskanals 29 bildet, durch welche Austrittsgas 28 aus
dem Mikrokreis 5 austreten kann. Wie gezeigt, erstreckt
sich die Schlitzfilmöffnung 31 über eine
generell lineare Ausdehnung und weist die Schlitzöffnung 30 auf.
Obwohl so dargestellt, ist die vorliegende Erfindung weit gefasst,
um jegliche Schlitzöffnung 30 mit
einer Länge
zu umfassen, die größer als
ihre Breite, die Breite des Kreiskanals 29, ist, unabhängig von
deren Gestalt.
-
Weil
der Kreiskanal 29 eine kleinere Querschnittsfläche als
die Schlitzöffnung 30 hat,
wird das Austrittsgas 28 beim Ausströmen aus dem Kreiskanal 29 durch
die Schlitzöffnung 30 diffundiert.
Durch das Diffundieren des Austrittsgases 28 entlang der Schlitzöffnung 30,
die rechtwinklig zur Gasströmungsrichtung 24 ausgedehnt
ist, wird die Überdeckung
des Kühlflims 26 erhöht. Das
erhöht
den Prozentsatz der von dem Film überdeckten Strömungsprofil-Oberfläche, verringert
die durchschnittliche Filmtemperatur und verringert die Menge an
Oberfläche,
die auf Wärmeleitung
zum Kühlen
angewiesen ist.
-
Es
wird auf 5 Bezug genommen. Dort ist eine
Mehrzahl von Mikrokreisen gezeigt, die in einer Reihe entlang der
Achse 20 angeordnet sind. Die Ausbruchsstelle 16 ist
gleich der Länge
der von der Schlitzfilmöffnung 16 überdeckten
Ausdehnung. In einer derartigen Konfiguration ist es möglich, Überdeckungen
von mehr als 60% zu erzielen.
-
Es
wird auf 6b Bezug genommen. Dort ist
eine grafische Darstellung des Temperaturgradienten dargestellt,
der sich in einem Film einstellt, der von dem Austreten von Kühlgas durch
eine Schlitzfilmöffnung
der vorliegenden Erfindung resultiert. Die Bereiche 61' bis 61''' repräsentieren
Bereiche zunehmender Temperatur, die in einem Film präsent ist,
der an einer Oberfläche
eines Teils gebildet ist und von der Öffnung in der Richtung der
Gasströmung 24 weggeht.
Man beachte, dass die Breite der Bereiche 61' bis 61''' geringfügig größer als
die Schlitzöffnung 30 ist,
durch welche das Gas austritt. Deshalb bildet eine Konfiguration
von Schlitzfilmöffnungen 31 einen Film
aus Kühlluft
mit einer Überdeckung
von mehr als 60%. Es wird weiterhin auf 4 Bezug
genommen. Es ist ersichtlich, dass beim Strömen des Kühlmittels durch den Kreiskanal 29 vor
dem Austreten als Austrittsgas 28 dieses in die Schlitzfilmöffnung 30 gelangt.
Da die Schlitzfilmöffnung 30 einen
größeren Querschnitt
hat als der durchschnittliche Querschnitt des Kühlkanals 29, tritt
das Austrittsgas 28 aus der Filmöffnung 30 mit einer
kleineren Geschwindigkeit aus als die, mit der es sich durch den
Kreiskanal 29 bewegt. In der Folge tritt das Austrittsgas 28 mit
einer verringerten Geschwindigkeit aus, obwohl es normal zur Oberfläche des
Teils austritt, um so unerwünschtes
Abblasen zu vermeiden. Das Ergebnis der Verwendung von Mikrokreisen 5 mit
einer Schlitzfilmöffnung 30,
durch welche das Austrittsgas 28 strömt, ist die Ausbildung eines
schützenden
Films aus Kühlluft, der
an der Oberfläche
des Teils anliegt und eine Überdeckung
der Oberfläche
von über
60% liefert.
-
Wie
vorangehend angemerkt, sind die Konvektion und der Film zwei Effekte,
die zum Kühlen von
Turbinenströmungsprofilen
verwendet werden. Konvektion ist Kühlluft an der Innenseite des
Strömungsprofils,
welche von der heißen
Strömungsprofilwand
Wärme entzieht
und die Kühlluft
erwärmt.
Der Vorteil der Konvektion wird mit dem Erwärmen der Kühlluft verringert. Die Filmkühlung beinhaltet
das Austreiben der Kühlluft,
nachdem sie das Innere des Strömungsprofils
gekühlt
hat, auf die Oberfläche,
um die Gasströmungstemperatur
zu verringern. Sobald der Film von den Filmöffnungen ausgetrieben wurde, beginnt
er, sich mit der Gasströmung
zu vermischen. Dieses Vermischen verringert die Filmeffizienz und erhöht die Filmtemperatur.
-
Um
der Abnahme der Filmeffizienz mit dem Abstand nach strömungsabwärts von
der Filmöffnung
entgegenzuwirken, könnte
man einen Gegenströmungswärmetauscher
bei dem internen konvektiven Kühlen
des Kühlschemas
verwenden. Das heißt,
die Kühlluft
könnte
weit strömungsabwärts der Filmöffnung am
kältesten
sein, und sich infolge der internen Konvektion aufheizen, während sie
sich nach vorne in Richtung der Filmkühlöffnung bewegt. Dieser Gegenströmungseffekt
gleich die Oberflächenmetalltemperatur
aus. Bei einer derartigen Konfiguration ist die Gasströmungsrichtung 24 generell
in eine Richtung 180° zu
der Ausrichtung mit der Strömungsrichtung
der Kühlgasströmung oder
entgegengesetzt zu dieser, bevor es von einem Teil, durch welches
es strömt,
ausgeworfen wird. Vorzugsweise ist die Gasströmungsrichtung 24 in
einer Richtung nicht weniger als ±150° zu der Ausrichtung mit der
Strömungsrichtung
der Kühlgasströmung. Am
bevorzugtesten weicht die Ausrichtung nicht um mehr als ±175° ab.
-
Wie
erläutert
wurde, bewirkt der Filmkühlmechnismus
der vorliegenden Erfindung, dass ein Kühlfilm einem Bereich plötzlicher
Expansion vor dem Austreten aus einem Teil ausgesetzt wird und so eine
schnelle Expansion des den Film bildenden Kühlgases verursacht. Durch das
Abweichen von der konventionellen Praxis, eine gleichmäßige und
langsame Diffusion eines Kühlgases
zuzulassen, während
es durch ein Teil strömt,
erzielt die vorliegende Erfindung vorteilhafte Filmkühleigenschaften
einschließlich
einer breiten Überdeckung,
niedrigeren Gastemperaturen und verringertem Abblasen.
-
Es
ist ersichtlich, dass gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Mikrokreis zum Verbessern der Filmkühlung eines
Teil und ein Verfahren zum Inkorporieren derartiger Mikrokreise
in Teile bereitgestellt wurde, die völlig die Ziele, Mittel und
Vorteile, die vorangehend dargelegt wurden, erfüllen. Obwohl die vorliegende
Erfindung in dem Kontext von speziellen Ausführungsformen davon beschrieben
wurde, werden den Fachleuten, welche die vorangegangene Beschreibung
gelesen haben, andere Alternativen, Modifikationen und Variationen
ersichtlich werden. Folglich sollen diese Alternativen, Modifikationen
und Variationen in den breiten Umfang der angefügten Ansprüche fallen.