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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
gekühlte Turbinenschaufel für eine Gasturbine und
insbesondere auf eine mit Kühl (mittel)strömungsdurchgängen
bzw. Kühlstromdurchgängen versehene gekühlte
Turbinenschaufel gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Es gibt verschiedene Gasturbinentypen, und einer von
ihnen ist ein Direktantriebstyp, der durch eine
Verbrennungsgasströmung angetrieben wird und einen Kompressor
antreibt. Je höher die Temperatur des Hauptgasstroms ist,
einen um so höheren Wärmewirkungsgrad hat die
Direktantriebs-Gasturbine. So sind Versuche unternommen worden,
um die Temperatur des Hauptgasstroms zu erhöhen. Im
allgemeinen jedoch ist die Temperaturobergrenze des
Hauptgasstroms durch die Hitzebeständigkeit der
Turbinenschaufel beschränkt. Um den Wärmewirkungsgrad durch
Erhöhen der Temperatur des Hauptgasstroms zu verbessern,
ist daher eine Turbinenschaufel erforderlich, die einer
höheren Temperatur standhält. Die Hitzebeständigkeit der
Turbinenschaufel wird durch Verbesserung des Materials
der Turbinenschaufel und eine Abkühlung der
Turbinenschaufeln von ihrer Innenseite her zum Absenken ihrer
Oberflächentemperatur vergrößert. Die Turbinenschaufel
dieses Typs ist dabei mit Kühlstromdurchgängen zum Leiten
von Wasser oder eines Kühlgases, beispielsweise
Wasserdampf oder Luft, ausgebildet und benutzt
verschiedene Mittel zum Verbessern der Kühlwirkung.
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Eine herkömmliche Kühltyp-Turbinenschaufel dieser
Art ist in den Fig. 6 und 7 gezeigt. Fig. 6 ist eine
Querschnittansicht der Turbinenschaufel, und Fig. 7 ist
eine Längsschnittansicht hiervon. Die Turbinenschaufel 1
weist einen aerodynamischen Schaufelabschnitt 2 auf, in
dem eine Vielzahl in Reihe angeordneter
Kühlstromdurchgänge 4, 10, 12 und 13 angeordnet sind, die
sich in der Spannweitenrichtung erstrecken. Ein Kühlgas
strömt durch die Kühlstromdurchgänge 12, 10 und 13 über
in einem Rumpf 3 ausgebildete Durchgänge, um die
Wandabschnitte 6 und 7 der Schaufel zu kühlen. Eine große
Anzahl von Düsen 8 und 17 ist in den Wandabschnitten 6
und 7 ausgebildet, und ein Teil des durch die
Kühlstromdurchgänge 4 und 13 strömenden Kühlgases wird
durch die Düsen 8 und 17 ausgestoßen. Das ausgestoßene
Kühlgas strömt in einem filmartigen Zustand längs der
Oberflächen der Ansaugseite und der Druckseite des
aerodynamischen Schaufelabschnitts 2, so daß eine
Übertragung von Wärme vom umgebenden Hauptgasstrom an die
Oberfläche des aerodynamischen Schaufelabschnitts 2
unterbrochen wird und die Oberfläche des aerodynamischen
Schaufelabschnitts 2 abgekühlt wird. Damit wird eine
sogenannte Film- bzw. Schichtkühlung durchgeführt.
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Eine Beaufschlagungskammer bzw. eine
Vorderkantenkammer ist im Vorderkantenabschnitt der Schaufel
ausgebildet. Das den Kühlstromdurchgängen 4 zugeführte
Kühlgas wird von einer großen Zahl kleiner Löcher
ausgestoßen und trifft auf die Innenfläche der
Vorderkantenwand 5 auf, wodurch eine sogenannte
Beaufschlagungskühlung (impingement cooling) durchgeführt
wird. Die Vorderkantenwand 5 ist mit einer großen Anzahl
von Düsen ausgebildet, um einen sogenannten Duschkopf 9
zu bilden. Das Kühlgas in einer Vorderkantenkammer wird
von dem Duschkopf 9 ausgestoßen und die Schichtkühlung
durchgeführt.
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In einem Hinterkantenabschnitt 15 der Schaufel ist
eine Hinterkantenkammer ausgebildet, in die das Kühlgas
von den Kühlstromdurchgängen 13 durch Düsen 14 strömt. In
der Hinterkante der Schaufel ist eine schlitzförmige
Hinterkäntendüse 16 ausgebildet, von der das Kühlgas in
der Hinterkantenkammer nach außen abgeführt wird. In der
Hinterkantenkammer ist eine große Anzahl von
nadelförmigen Graten 11 ausgebildet, um die Wirksamkeit
der Kühlung des Hinterkantenabschnitts 15 zu verbessern.
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Bei der mit einer derartigen Turbinenschaufel
ausgestatteten gekühlten Turbine kann die durchschnittliche
Oberflächentemperatur der Schaufel bei 850ºC gehalten
werden, wenn die Temperatur des Hauptgasstroms innerhalb
eines Bereichs von 1000ºC bis 1300ºC liegt. In diesem
Fall beträgt die Strömungsmenge des Kühlgases mehrere
Prozent von der des Hauptgasstroms. In jüngster Zeit ist
jedoch eine Gasturbine entwickelt worden, die bei einer
Temperatur des Hauptgasstroms von 1300ºC bis 1500ºC
arbeitet. Ferner wird die Entwicklung einer Gasturbine,
die Wasserstoff als Brennstoff verwendet und bei
Temperaturen von 1500ºC bis 2000ºC arbeitet, nun in Betracht
gezogen.
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Falls eine solche verbesserte Gasturbine auf der
Basis der Gestaltung der herkömmlichen Gasturbine
hergestellt würde, müßte die Kühlgasmenge erheblich
umfangreich gestaltet werden, um eine durchschnittliche
Oberflächentemperatur von 850ºC aufrechtzuerhalten, und
damit würde der Wärmewirkungsgrad einer Gasturbine oder
der gesamten Heizanlage einschließlich der Gasturbine
extrem verringert. Es gestaltet sich daher schwierig,
eine derartige verbesserte Gasturbine zu aktualisieren.
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Beispielsweise wurde in dem US-Patent Nr. 5 165 852,
welches die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1
offenbart, eine gekühlte Turbinenschaufel vorgeschlagen,
die eine höhere Kühlwirkung liefert, ohne die
Strömungsmenge des Kühlgases zu erhöhen. Die gekühlte
Turbinenschaufel ist in ihrem aerodynamischen
Profilabschnitt mit einem ersten Kühlstromdurchgang, der an der
Druckseite angeordnet ist, und einem zweiten
Kühlstromdurchgang, der an der Ansaugseite angeordnet
ist, versehen. Das Kühlgas strömt in der radialen
Auswärtsrichtung des Turbinenrotors einschließlich der
Turbinenschaufel, d. h. vom Schaft der Turbinenschaufel
zum Flügelspitzenabschnitt im ersten Kühlstromdurchgang,
und in der radialen Einwärtsrichtung, d. h. vom
Flügelspitzenabschnitt zum Schaft im zweiten
Kühlstromdurchgang.
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Wenn das Kühlgas in der Radialrichtung des
Turbinenrotors strömt, wird eine durch die Drehung des Rotors
erzeugte Coriolis-Kraft auf das Kühlgas ausgeübt. Eine
Sekundärströmung in der den Kühlstromdurchgang kreuzenden
Richtung erfolgt in dem durch die Kühlstromdurchgänge
strömenden Kühlgas, und es werden ein Paar Längswirbel in
dem durch die Kühlstromdurchgänge strömenden Kühlgas
erzeugt. Die Wirbel im ersten Kühlstromdurchgang und im
zweiten Kühlstromdurchgang sind einander entgegengesetzt
gerichtet. Das Kühlgas prallt auf die Innenfläche der
Druckseitenwand des aerodynamischen Profilabschnitts in
der ersten Kühlstromdurchgang, und auf die Innenfläche
der Ansaugseitenwand des aerodynamischen Profilabschnitts
in der zweiten Kühlstromdurchgang. Auf diese Weise werden
sowohl die Druckseite als auch die Ansaugseite des
aerodynamischen Profilabschnitts wirksam gekühlt, und
damit kann eine hohe Kühleffizienz durch eine geringe
Kühlgasmenge erzielt werden.
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Eine der Einrichtungen zum wirksamen Abkühlen der
Wand der Kühlstromdurchgänge (d. h. des Wandabschnitts des
aerodynamischen Profilabschnitts) durch das Strömen des
Kühlgases im Kühlstromdurchgang umfaßt eine große Anzahl
von an der Innenfläche der Wand des Kühlstromdurchgangs
ausgebildete Vorsprünge, so daß das Kühlgas in einem
Durchwirbelungsströmungszustand in der Nähe der
Innenfläche der Wand strömt.
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Eine Ausführungsform einer Turbinenschaufel mit
solchen Vorsprüngen ist in den Fig. 8 und 11 dargestellt.
Die Turbinenschaufel 21 hat einen Schaftabschnitt 21a und
einen aerodynamischen Profilabschnitt 21b. In dem
aerodynamischen Profilabschnitt 21b ist eine Anzahl
Kühlstromdurchgängen 22 ausgebildet, deren Enden durch
Rückführabschnitte 24 in Reihe miteinander verbunden
sind. Ein von einem Kühlgaseinlaß 23 zugeführtes Kühlgas
strömt durch die benachbart angeordneten
Kühlstromdurchgangn 22 über die Rückführabschnitte 24 und
wird schließlich von einer in dem
Hinterkantenabschnitt 26 ausgebildeten Düse in das Hauptgas
abgeführt.
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An den Wänden der Kühlstromdurchgangn 22,
beispielsweise an der Innenwand der Ansaugseitenwände des
aerodynamischen Profilabschnitts, ist eine Anzahl von
Wirbel erzeugenden Rippen 27 ausgebildet, die senkrecht
zur Strömungsrichtung des Kühlgases verlaufen. Das
Kühlgas wird einer starken Turbulenz in der Nähe der
Innenfläche der Wand durch die Wirbelerzeugerrippen 27
unterzogen. Die Wärmeübertragung durch die Innenfläche
wird verstärkt, um den Kühleffekt zu verbessern.
Trennwände 28 sind vorgesehen, um benachbarte
Kühlstromdurchgangn 22 zu unterteilen, und nadelförmige
Grate 29 sind im Hinterkantenabschnitt ausgebildet.
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Das japanische Patent KOKAI, Veröffentlichungsnummer
60-101202, offenbart eine Schaufel mit
wirbelerzeugerrippen, die in bezug auf die Strömungsrichtung des
Kühlgases schräggestellt ausgebildet sind. Solche
wirbelerzeugerrippen stellen eine starke Turbulenz her, um den
Kühleffekt zu verbessern. Die schräggestellten
Wirbelerzeugerrippen können verhindern, daß sich Fremdstoffe
auf oder an einem bestimmten Abschnitt absetzen. Das
japanische Patent KOKAI, Veröffentlichungsnummer 5-10101,
offenbart eine Anordnung von V-förmigen, schräggestellten
wirbelerzeugerrippen.
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Bei einem Betrieb der Gasturbine bei 1300ºC bis
1500ºC oder bei 1500ºC bis 2000ºC ist es nötig, daß die
Turbinenschaufel mit hoher Kühlwirkung bei einer
geringeren Strömungsmenge des Kühlgases abgekühlt wird.
Somit ist es erforderlich, daß nicht nur die Kühlwirkung
einer Anzahl von Kühleinrichtungen nach obiger
Beschreibung verstärkt wird, sondern daß auch eine höhere
Kühlwirkung durch die Kombination von solchen
Kühleinrichtungen erreicht wird.
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Wenn die Kühlstromdurchgangn sich in der
Spannweitenrichtung der Turbinenschaufel erstrecken, d. h.
in der Radialrichtung des Turbinenrotors, wirken sie wie
eine Art Zentrifugalventilator aufgrund einer
Zentrifugalkraft, die durch die hohe Drehgeschwindigkeit
des Rotors erzeugt wird. Bei Erhöhung der Kühlwirkung
durch eine Coriolis-Kraft, wie vorstehend beschrieben,
wird das Kühlgas den Kühlstromdurchgängen der Druckseite
in der radialen Auswärtsrichtung und den Durchgängen der
Ansaugseite in der radialen Einwärtsrichtung zugeführt.
Das durch die Kühlstromdurchgänge der Druckseite
strömende Kühlgas wird beschleunigt, weil das Kühlgas in
der radialen Auswärtsrichtung strömt. Andererseits wird
das den Durchgang der Ansaugseite strömende Kühlgas
abgebremst, weil das Kühlgas in der radialen
Einwärtsrichtung strömt.
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Bei der in der US-Patent Nr. 5 165 852 offenbarten
Gasturbinenschaufel sind die Kühlstromdurchgänge sowohl
an der Ansaugseite als auch an der Druckseite, die in
Reihe miteinander verbunden sind, von gleicher Anzahl, so
daß der Nachteil der Strömung des Kühlgases auf der
Ansaugseite eliminiert wird. Allgemein steht die am
weitesten stromabseitige Kühlstromdurchgang mit der in
der Ansaugseite oder der Druckseite des aerodynamischen
Schaufelabschnitts oder dem Hinterkantenabschnitt in
Verbindung. Das Kühlgas, das durch den am weitesten
stromabseitigen Kühldurchgang geströmt ist, wird von der
Düse in den Hauptgasstrom ausgestoßen, um eine
Filmkühlung auszuführen. Bei dieser Struktur stellt der
am weitesten stromabseitige Durchgang den
Kühlstromdurchgang der Ansaugseite dar. Somit wird das
Kühlgas im Kühlstromdurchgang der Ansaugseite
ausgestoßen. Da die Strömung des Kühlgases in dem
Kühlstromdurchgang der Ansaugseite radial nach innen
gerichtet ist, ist die Gasströmung auch beschränkt. D. h.
der statische Druck des Kühlgases in dem
Kühlstromdurchgang der Ansaugseite ist gering. In diesem
Zusammenhang muß das Kühlgas mit einem höheren Druck
zugeführt werden, um durch die Düse eine vorbestimmte
Kühlgasmenge an den Hauptgasstrom zu liefern. Eine
Erhöhung der für die Zuführung des Kühlgases notwendigen
Antriebskraft vermindert den gesamten Wärmewirkungsgrad
der Gasturbine.
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Falls auf der Druckseite eine Kühlstromdurchgang
mehr als auf der Ansaugseite vorgesehen wird, stellt der
am weitesten stromabseitige Kühlstromdurchgang einen
Durchgang der Druckseite dar.
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Im allgemeinen hat der Querschnitt der
aerodynamischen Schaufel eine große Wölbung, und damit ist die
Abmessung der Strömungsdurchgänge auf der Ansaugseite in
der Bogenrichtung größer als die der Strömungspassagen
der Druckseite in der Bogenrichtung. Die Bereitstellung
einer zusätzlichen Kühlstromdurchgang auf der Druckseite
gegenüber jenen auf der Ansaugseite macht den Unterschied
im Querschnitt zwischen den Kühlstromdurchgangn auf der
Ansaugseite und auf der Druckseite groß. In den
Kühlstromdurchgangn auf der Ansaugseite neigt die
Gasgeschwindigkeit dazu, geringer zu werden und die
Kühlwirkung zu vermindern. Es ist also nicht vorzuziehen,
daß der Querschnitt der Durchgänge auf der Ansaugseite
größer gestaltet wird als der auf der Druckseite.
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Es ist möglich, das Ungleichgewicht der Querschnitte
auszugleichen, indem man Trennwand zum Abtrennen des
Inneren des aerodynamischen Schaufelabschnitts in
Kühlstromdurchgänge auf der Ansaugseite und auf der
Druckseite verschiebt. In dieser Anordnung haben die
Kühlstromdurchgänge jedoch einen flachen, in der
Bogenrichtung verlaufenden Querschnitt. Ein solcher
flacher Querschnitt schwächt die Längswirbel, die durch
eine Coriolis-Kraft in den Kühlstromdurchgängen der
Ansaugseite erzeugt werden, und führt zu einem
ungünstigen Ergebnis, das die Kühlwirkung der
Kühlstromdurchgänge auf der Ansaugseite viel stärker
reduziert.
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Wenn die Einrichtung zum Verbessern der Kühlwirkung
durch eine Coriolis-Kraft verwendet wird, kommt es zu dem
Nachteil dahingehend, daß die erforderliche Antriebskraft
zum Leiten des Kühlgases nach obiger Beschreibung
und / oder der Kühlwirkung der Kühlstromdurchgänge auf
der Ansaugseite weiter vermindert wird. Wenn andererseits
beide Einrichtungen zur Verbesserung der Kühlwirkung
durch eine Coriolis-Kraft und die Wirbelerzeugerrippen
angewendet werden, so wird der Druckverlust des
Kühlgases, der durch die Wirbelerzeugerrippen erzeugt
wird, groß, und die oben erwähnten Nachteile werden
deutlicher. Ferner stört der durch die
Wirbelerzeugerrippen erzeugte Wirbel die von der
Coriolis-Kraft erzeugten Längswirbel, wodurch der
Multiplikationseffekt der Wirbelerzeugerrippen und der
Coriolis-Kraft manchmal reduziert wird.
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Die vorliegende Erfindung wurde unter den oben
genannten Umständen gemacht, und ihre Aufgabe ist, eine
gekühlte Turbinenschaufel für eine Gasturbine zu
schaffen, die Mittel zur Verbesserung der Kühlwirkung aufgrund
einer Coriolis-Kraft und Mittel zur Erhöhung der
Kühlgasströmung anwendet, um die Kühlwirkung weiter zu
verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch die Bereitstellung einer
gekühlten Turbinenschaufel gemäß Anspruch 1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen
definiert.
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Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung weist
eine Turbinenschaufel einen aerodynamischen
Profilabschnitt auf, der mindestens einen druckseitigen
Durchgang und mindestens zwei ansaugseitige Durchgänge
aufweist. Beide Durchgänge erstrecken sich in der
Spannweitenrichtung des aerodynamischen Schaufelabschnitts und
sind in Reihe miteinander verbunden, um eine
kontinuierliche Kühlstromdurchgangs-Anordnung zu bilden. In der
Kühlstromdurchgangs-Anordnung ist die Anzahl der
ansaugseitigen Kühlstromdurchgänge größer als die der
druckseitigen Kühlstromdurchgänge. Ein Kühlgas wird von
der Schaftseite der Schaufel den druckseitigen
Kühlstromdurchgängen zugeführt, fließt durch die
druckseitigen Kühlstromdurchgänge in der radialen
Auswärtsrichtung eines Turbinenrotors und fließt weiter
durch die ansaugseitigen Durchgänge in der radialen
Einwärtsrichtung. Mindestens einer der ansaugseitigen
Kühlstromdurchgänge stellt den am weitesten stromab
gelegenen Kühlstromdurchgang dar, dessen radialer,
innenseitiger Endabschnitt mit den radialen innenseitigen
Endabschnitten der stromaufwärtigen, ansaugseitigen
Kühlstromdurchgänge in Verbindung steht. Der am weitesten
stromab gelegene Kühlstromdurchgang steht in Verbindung
mit einer zur Oberfläche des aerodynamischen
Profilabschnitts oder des Hinterkantenabschnitts offenen
Bohrung. Das Kühlgas strömt durch den am weitesten
stromabgelegenen ansaugseitigen Durchgang in der radialen
Auswärtsrichtung und wird in einen Hauptgasstrom
abgeführt.
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Bei dieser Turbinenschaufel strömt das Kühlgas durch
die am weitesten stromab gelegene Kühlstromdurchgang in
der radialen Auswärtsrichtung, wodurch die Strömung des
Kühlgases durch die Drehung des Turbinenrotors erzeugte
Zentrifugalkraft beschleunigt wird und wirksam aus der
Bohrung abgeführt wird. Damit wird die Antriebskraft, die
erforderlich ist, um ein Strömen des Kühlgases durch die
kontinuierliche Kühlstromdurchgangs-Anordnung zu
bewirken, verringert und der Wärmewirkungsgrad der
gesamten Gasturbine erhöht. Da die Anzahl der
ansaugseitigen Durchgänge größer ist als die der
druckseitigen Durchgänge, kann die Differenz der
Querschnitte zwischen den ansaugseitigen
Kühlstromdurchgängen und den druckseitigen
Kühlstromdurchgängen reduziert werden, wodurch das
Kühlgas leicht durch die Kühlstromdurchgangs-Anordnung
strömt, um somit die ansaugseitigen Kühlstromdurchgänge
gleichmäßig und wirksam zu kühlen. Da es unnötig ist, die
Trennwand zum Unterteilen des Inneren des aerodynamischen
Schaufelabschnitts in die ansaugseitigen
Kühlstromdurchgänge und die druckseitigen
Kühlstromdurchgänge unerwünschtermaßen zu versetzen,
können die Querschnitte der Durchgänge sowohl auf der
Ansaugseite als auch auf der Druckseite eine im
wesentlichen quadratische Form annehmen, so daß die
Längswirbel, die in den Kühlstromdurchgängen aufgrund
einer Coriolis-Kraft erzeugt werden, stark gestaltet
werden können, um die Kühlwirkung zu verbessern.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung kann die Strömungsgeschwindigkeit des
Kühlgases durch den am weitesten stromab gelegenen
Kühlstromdurchgang erhöht werden, indem der
Querschnittsbereich des am weitesten stromab gelegenen
Kühlstromdurchgangs kleiner gehalten wird als der jedes
anderen Kühlstromdurchgangs. In dem am weitesten stromab
gelegenen, ansaugseitigen Kühlstromdurchgang kann eine
Erhöhung der Kühlwirkung aufgrund einer Coriolis-Kraft
nicht erwartet werden, da das Kühlgas in der radialen
Auswärtsrichtung strömt, wie oben beschrieben ist. Jedoch
kann die höhere Strömungsgeschwindigkeit des Kühlgases
durch Reduzierung der Querschnittsfläche des
Kühlstromdurchgangs die Verminderung der Kühlwirkung
kompensieren.
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Gemäß einem anderen Merkmal der vorliegenden
Erfindung umfaßt die Turbinenschaufel eine Anzahl von
Trennwänden, die im wesentlichen parallel zueinander und auch
parallel zur Richtung eines Turbinenrotors angeordnet
sind und das Innere des aerodynamischen
Schaufel
abschnitts in eine Anzahl von in der Bogenrichtung
verlaufenden Durchgängen aufteilt. Das Innere jedes
Durchgangs ist in seinem wesentlichen Teil in einen
ansaugseitigen Durchgangsabschnitt und einen
druckseitigen Durchgangsabschnitt durch eine im wesentlichen zur
Richtung der Flügeldicke, d. h., zur Drehrichtung des
Turbinenrotors senkrechten Trennwand aufgeteilt. Selbst
wenn der aerodynamische Abschnitt der Schaufel in diesem
Fall eine große Krümmung aufweist, kann eine geeignete
Beziehung der Querschnitte der Kühlstromdurchgangn
zwischen der Ansaugseite und der Druckseite festgelegt
werden. In dieser Anordnung kann der Querschnitt der
Kühlstromdurchgänge im wesentlichen quadratisch gestaltet
werden. Hierbei können starke Längswirbel durch eine
Coriolis-Kraft erzeugt werden, und die Kühlwirkung kann
verbessert werden.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden
Erfindung weist eine Turbinenschaufel eine Anzahl von
Wirbelerzeugern auf, die vorstehend an der Innenfläche von die
Kühlstromdurchgänge festlegenden Wänden vorgesehen sind.
Jeder Wirbelerzeuger hat vorzugsweise Rippenform und ist
mit einer dreieckigen Einkerbung versehen. Eine weitere
bevorzugte Ausführungsform umfaßt Wirbelerzeuger, die
jeweils einen dreieckigen Vorsprung aufweisen.
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Der Vorsprung bzw. die Einkerbung jedes
Wirbelerzeugers neigt sich zur Strömungsrichtung des
Kühlmediums. Daher wird ein Längswirbel am Vorsprung oder an
der Einkerbung erzeugt, der die Strömung des Kühlmediums
ablenkt, so daß das Medium mit der Innenfläche der
Kühlstromdurchgang kollidiert. Dies erhöht die
Kühlwirkung. Außerdem erzeugen die Wirbelerzeuger
Längswirbel, die den durch die oben erwähnte Coriolis-Kraft
erzeugten ähnlich ist. Da die durch die Wirbelerzeuger
erzeugten Längswirbel einander nicht stören, beeinflussen
sie die Kühlwirkung nicht nachteilig.
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Diese Erfindung ist aus der folgenden genauen
Beschreibung in Zusammenhang mit den beigefügten
Zeichnungen besser verständlich. Es zeigen:
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Fig. 1 eine Querschnittansicht einer gekühlten
Turbinenschaufel gemäß einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung,
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Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie A-.A von
Fig. 1,
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Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie B-B von
Fig. 1,
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Fig. 4 eine Ansicht im Längsschnitt des Teils
einer ersten Abwandlung entsprechend der C-Sektion der
gekühlten Turbinenschaufel von Fig. 1,
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Fig. 5 eine Ansicht im Längsschnitt des Teils
einer ersten Abwandlung entsprechend der C-Sektion der
gekühlten Turbinenschaufel von Fig. 1,
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Fig. 6 eine Ansicht im Querschnitt einer ersten
Turbinenschaufel nach dem Stand der Technik,
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Fig. 7 eine Ansicht im Längsschnitt der ersten
Turbinenschaufel nach dem Stand der Technik,
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Fig. 8 eine Ansicht im Längsschnitt einer zweiten
Turbinenschaufel nach dem Stand der Technik,
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Fig. 9 eine Querschnittansicht einer gekühlten
Turbinenschaufel gemäß einer zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung,
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Fig. 10 eine Schnittansicht längs der Linie G-G
von Fig. 9,
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Fig. 11 eine Querschnittansicht der zweiten
Turbinenschaufel nach dem Stand der Technik,
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Fig. 12 eine gekühlte Turbinenschaufel gemäß einer
dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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Fig. 13 eine perspektivische Ansicht des
Wirbelerzeugers der dritten Ausführungsform,
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Fig. 14 eine perspektivische Ansicht eines
Wirbelerzeugers einer fünften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung,
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Fig. 15 eine perspektivische Ansicht eines
Wirbelerzeugers einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung,
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Fig. 16 eine perspektivische Ansicht zur
Darstellung der Anordnung der Wirbelerzeuger,
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Fig. 17 eine perspektivische Ansicht eines
Wirbelerzeugers einer siebten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung,
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Fig. 18 eine perspektivische Ansicht eines
Wirbelerzeugers einer achten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung,
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Fig. 19 eine perspektivische Ansicht eines
Wirbelerzeugers einer neunten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung,
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Fig. 20 eine perspektivische Ansicht von
Wirbelerzeugern einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung,
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Fig. 21 eine perspektivische Ansicht von
Wirbelerzeugern einer elften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung,
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Fig. 22 eine perspektivische Ansicht von
Wirbelerzeugern einer zwölften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung,
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Fig. 23 eine perspektivische Ansicht von
Wirbelerzeugern einer dreizehnten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung,
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Fig. 24 eine perspektivische Ansicht von
Wirbelerzeugern einer vierzehnten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung,
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Fig. 25 eine perspektivische Ansicht von
Wirbelerzeugern einer fünfzehnten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung,
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Fig. 26 eine perspektivische Ansicht von
Wirbelerzeugern einer sechzehnten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung,
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Fig. 27 eine perspektivische Ansicht von
Wirbelerzeugern einer siebzehnten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung,
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Fig. 28 eine perspektivische Ausführungsform eines
Wirbelerzeugers einer achtzehnten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung,
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Fig. 29 eine perspektivische Ansicht von
Wirbelerzeugern einer neunzehnten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, und
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Fig. 30 eine perspektivische Ansicht von
Wirbelerzeugern einer zwanzigsten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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Im folgenden werden die bevorzugten
Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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Zunächst wird eine erste Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung mit Verweis auf die Fig. 1 bis 5
beschrieben. Fig. 1 ist eine Querschnittansicht einer
Turbinenschaufel eines Flügels. Fig. 2 ist eine
Längsschnittansicht längs der Linie A-A von Fig. 1, und Fig. 3
ist eine Längsschnittansicht längs der Linie B-B von
Fig. 1. Fig. 4 ist eine Querschnittansicht des Teils
einer ersten Abwandlung entsprechend einer C-Sektion der
Turbinenschaufel gemäß Fig. 1, und Fig. 5 ist eine
Querschnittansicht des Teils einer zweiten Abwandlung
entsprechend einer C-Sektion der Turbinenschaufel gemäß
Fig. 1.
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Wie in den Fig. 1 bis 5 gezeigt ist, weist die
Turbinenschaufel 31 Trennwände 35 zum Unterteilen ihres
Inneren auf, die vom Vorderabschnitt 32 zum
Hinterabschnitt 34 über einen Zwischenabschnitt 33 reichen,
sowie Trennwände 36 zum Unterteilen des
Zwischenabschnitts 33 in ansaugseitige Abschnitte und
druckseitige Abschnitte. Eine Anzahl von Kühlstromdurchgängen,
die sich in der Spannweitenrichtung erstrecken, wird
durch die Trennwände 35 und die Trennwände 36 im
Zwischenabschnitt 33 festgelegt. Die Turbinenschaufel 31
wird in Richtung R gedreht.
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In anderen Abschnitten als dem Vorderabschnitt 32
weisen die Kühlstromdurchgänge drei
Rückströmungsdurchgänge auf. Die im Zwischenabschnitt 33
gebildeten Kühlstromdurchgänge bilden
Rückströmungsdurchgänge, die zur Spitze und zum Fuß 38 der Schaufel
zurückführen. Ein Kühlmittel oder ein Kühlgas wird von
dem Schaufelfuß 38 den entsprechenden
Kühlstromdurchgängen über vier Zuführabschnitte 40, 41,
42 und 43 zugeführt.
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Im Vorderabschnitt 32 wird das vom
Zuführabschnitt 40 gelieferte Kühlmittel bzw. Kühlgas
durch einen Kühlstromdurchgang 44 geleitet, um eine
Beaufschlagungskühlung der Innenwandfläche einer
Vorderkante 45 zu bewirken. Das Kühlmittel wird auch aus in
einer ansaugseitigen Schaufelfläche 46 und einer
druckseitigen Schaufelfläche 47 der Kühlstromdurchgänge 44
ausgebildeten Filmbohrungen 48 ausgestoßen, um eine Film-
bzw. Schichtabkühlung auszuführen. Die Vorderkante 45 ist
mit einem Duschkopf 49 zur Durchführung der Filmkühlung
versehen.
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Drei Rückströmungsdurchgänge sind in der C-Sektion
des Zwischenabschnitts 33 ausgebildet. Mit anderen Worten
ist die C-Sektion in einen ersten Strömungsdurchgang 50,
einen zweiten Strömungsdurchgang 51 und einen dritten
Strömungsdurchgang 52 durch die Trennwand 36 und die
Trennwand 35 unterteilt. Däs von dem Zuführabschnitt 41
des Schaufelfußes 38 zugeführte Kühlmittel strömt durch
den ersten Strömungsdurchgang 50 in der radialen Richtung
nach außen. Sodann kehrt das Kühlmittel bei einem
Rückführabschnitt 39 eines Vorderabschnitts 37 wieder
zurück, um durch den zweiten Strömungsdurchgang 51 in der
Radialrichtung nach innen zu strömen. Danach kehrt das
Kühlmittel weiter am Umkehrabschnitt 39 des Fußes 38 um,
um durch den dritten Strömungsdurchgang 52 auf der
Ansaugseite zu strömen. Auf halber Strecke des
Strömungswegs wird ein Teil des Kühlmittels aus den
Filmbohrungen 48 ausgestoßen, um eine Filmkühlung zu
bewirken, und wird aus den Strahllöchern 53 ausgestoßen,
um den Vorderabschnitt 37 abzukühlen. Danach wird das
verbleibende Kühlmittel in die Hauptströmung abgeführt.
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Auf diese Weise wird eine Erhöhung der
Wärmeübertragungswirkung aufgrund der Coriolis-Kraft im ersten
Strömungsdurchgang 50 und im zweiten
Strömungsdurchgang 51 angewandt, um die Schaufelwände zu kühlen. Um den
Nachteil zu vermeiden, daß das Kühlmittel nicht in der
Richtung einer Coriolis-Kraft, sondern in der umgekehrten
Richtung strömt, ist eine große Zahl von Filmbohrungen 58
als ein Filmstrahl-Strömungsdurchgang im dritten
Strömungsdurchgang 52 ausgebildet. Ähnliche Filmbohrungen wie
die im dritten Strömungsdurchgang 52 ausgebildeten
Filmbohrungen können im ersten Strömungsdurchgang 50 und
im zweiten Strömungsdurchgang 51 ausgebildet sein, um
eine Film- bzw. Schichtabkühlung auszuführen.
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Die Kühlwirkung nimmt allmählich aufgrund der
Tatsachen ab, daß die Temperatur des Kühlmittels an den
Rückführströmungspassagen zunimmt, und die
Kühlmittelmenge nimmt dadurch ab, daß sie an den Filmbohrungen 48
ausgestoßen wird. Die Querschnittsflächen der ersten,
zweiten und dritten Strömungsdurchgänge 50, 51 und 52
nimmt in dieser Reihenfolge ab, so daß die
Strömungsgeschwindigkeiten des Kühlmittels in dieser Reihenfolge
beschleunigt werden, um so eine Abnahme der Kühlwirkung
zu verhindern.
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In der D-Sektion des Zwischenabschnitts 33 strömt
das von dem Zuführabschnitt 42 des Schaufelfußes 38
zugeführte Kühlmittel durch einen vierten
Strömungsdurchgang 54 an der Druckseite in der radialen Richtung nach
außen und dann durch einen fünften Strömungsdurchgang 55
an der Ansaugseite in der Radialrichtung nach innen.
Danach strömt das Kühlmittel durch einen sechsten
Strömungsdurchgang 56 an der Druckseite in der
Radialrichtung nach außen und dann durch einen siebten
Strömungsdurchgang 57 an der Ansaugseite in der
Radialrichtung nach innen. Schließlich strömt das Kühlmittel in
einen mit den Filmbohrungen 48 ausgebildeten achten
Strömungsdurchgang 58 an der Ansaugseite. Beim
Durchströmen des Kühlmittels durch diese Strömungsdurchgänge
kühlt es diese ab und wird in den Hauptstrom abgeführt.
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Im Hinterabschnitt 34 strömt das vom
Zuführabschnitt 43 des Fußes 38 zugeführte Kühlmittel in der
Radialrichtung nach außen, passiert die in einer
Hinterkante 59 ausgebildeten Rückführströmungsdurchgänge der
Reihe nach und wird durch eine Öffnung 61 geleitet, die
in der Trennwand 35 des letzten Strömungsdurchgangs 60
ausgebildet ist. Das Kühlmittel strömt in den mit
Nadelgraten 62 versehenen Hinterkantenabschnitt 63.
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Nach dem Ausführen einer Kühlung durch
Wärmeübertragung an den Nadelgraten 62 wird das Kühlmittel in der
Hauptstrom ausgestoßen. Eine Vielzahl vorspringender
Rippen 64 ist an der Innenfläche der Schaufelwand
ausgebildet, um sich mit der Strömungsrichtung zu
überschneiden. Das strömende Kühlmittel bildet durch die
Rippen 64 eine Wirbelströmung und kühlt die Wand weiter
ab.
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In dieser Anordnung nimmt die Anzahl der
Strömungsdurchgänge, die eine Coriolis-Kraft nutzen können, zu.
Mit anderen Worten strömt das Kühlmittel im ersten,
vierten und sechsten Strömungsdurchgang 50, 54 bzw. 56 radial
nach außen, und im zweiten, fünften und siebten
Strömungsdurchgang 51, 55 bzw. 57 radial nach innen, so
daß die Bereiche bzw. Flächen, die eine hohe interne
Wärmeübertragung bewirken, größer werden. Eine hohe
Abkühlwirkung wird zusammen mit der Filmabkühlung in den
dritten bzw. achten Strömungsdurchgängen 52 bzw. 58
erreicht.
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Die Strömungsdurchgänge in der C-Sektion des
Zwischenabschnitts 33 sind nicht immer auf die oben
beschriebenen beschränkt, sondern es können auch
Strömungsdurchgänge, wie sie in den Fig. 4 und 5 gezeigt
sind, verwendet werden und dieselben Auswirkungen haben
wie die oben erwähnten.
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In der ersten Abwandlung der Strömungsdurchgänge
gemäß Fig. 4 kann der zweite Strömungsdurchgang 51 an der
Hinterkantenseite angeordnet sein und der dritte
Strömungsdurchgang 52 an der Vorderkantenseite. In Fig. 4
ist die Anzahl von Filmbohrungen 48 im zweiten
Strömungsdurchgang 51 kleiner als die im dritten
Strömungsdurchgang 52. Es ist jedoch nicht immer nötig, diese
Filmbohrungen 48 vorzusehen.
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In der zweiten Abwandlung der Strömungsdurchgänge
gemäß Fig. 5 sind die dritten Strömungsdurchgänge 52a
bzw. 52b, die dem dritten Strömungsdurchgang 52
entsprechen, an der Vorderkantenseite bzw. an der
Hinterkantenseite des zweiten Strömungsdurchgangs 51
angeordnet. Das vom ersten Strömungsdurchgang 50 im
Vorderabschnitt 37 zurückströmende Kühlmittel strömt durch den
zweiten Strömungsdurchgang 51 in der Radialrichtung nach
innen und wird in zwei Teile aufgeteilt, um durch die
dritten Strömungsdurchgänge 52a und 52b in der
Radialrichtung nach außen zu strömen, nachdem es wiederum in
den Fuß 38 zurückgeströmt ist. Auf halbem Weg wird ein
Teil des Kühlmittels aus den Filmbohrungen 48
ausgestoßen, um eine Filmabkühlung auszuführen. In Fig. 5
ist die Anzahl der Filmbohrungen 48 im ersten
Strömungsdurchgang 51 kleiner als die in jeder der dritten
Strömungsdurchgänge 52a und 52b. Es ist jedoch nicht
immer notwendig, diese Filmbohrungen 48 vorzusehen. Es
können mehr dritte Strömungsdurchgänge als zwei
vorgesehen sein.
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In den obigen Ausführungsformen ist die Anzahl der
ansaugseitigen Strömungsdurchgänge größer als die der
druckseitigen Strömungsdurchgänge, wie oben beschrieben,
und der Unterschied in der Querschnittsfläche zwischen
den ansaugseitigen Kühlstromdurchgängen und den
druckseitigen Kühlstromdurchgängen kann gering gestaltet
werden, wodurch das Kühlmittel (Kühlgas) gleichmäßig
durch die Kühlstromdurchgangs-Anordnung strömt und eine
einheitliche und wirksame Abkühlung ausgeführt werden
kann. Da es nicht notwendig ist, die Trennwände 36 zum
Unterteilen des Inneren der gekühlten Turbinenschaufel in
ansaugseitige Durchgänge und druckseitige Durchgänge
unerwünschterweise zu versetzen, können die Querschnitte
der druckseitigen und ansaugseitigen Kühlstromdurchgänge
eine im wesentlichen quadratische Form annehmen. Die
quadratischen Kühlstromdurchgänge stärken die
Längswirbel, die in den Kühlstromdurchgängen aufgrund einer
Coriolis-Kraft erzeugt werden, und verbessern die
Kühlwirkung.
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Der Querschnitt jeder der am weitesten stromab
gelegenen Kühlstromdurchgänge 52 und 58 wird kleiner
gestaltet als der jeder der anderen Kühlstromdurchgänge,
wodurch die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels
(Kühlgases) in den am meisten stromabseitigen
Kühlstromdurchgängen erhöht wird. Wenn das Kühlgas, wie
oben beschrieben ist, durch die am weitesten stromab
gelegenen Kühlstromdurchgänge 52 und 58 an der
Ansaugseite radial nach innen strömt, kann der durch eine
Coriolis-Kraft gegebene Kühleffekt nicht erwartet werden.
Eine Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels
(Kühlgases) durch Verkleinerung der Querschnittsflächen
der Kühlstromdurchgänge kann die Verminderung der
Kühlwirkung kompensieren.
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Selbst wenn der Querschnitt der Schaufel in den oben
erwähnten Kühlstromdurchgängen eine starke Wölbung
aufweist, kann ein angemessenes Verhältnis zwischen den
Querschnittflächen der ansaugseitigen Kühlstromdurchgänge
und der druckseitigen Kühlstromdurchgänge
aufrechterhalten werden. Die Querschnitte der
Kühlstromdurchgänge der Druckseite und der Ansaugseite
können eine im wesentlichen quadratische Form annehmen,
und die quadratischen Kühlstromdurchgänge stärken die
Längswirbel, die in den Kühlstromdurchgängen aufgrund
einer Coriolis-Kraft erzeugt werden, und verbessern die
Kühlwirkung.
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In den Fig. 9 und 10 ist eine zweite Ausführungsform
dargestellt, die eine Kombination der Kühlstromdurchgänge
der zweiten Ausführungsform und der ersten
Ausführungsform ist.
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Gemäß den Fig. 9 und 10 umfaßt eine gekühlte
Turbinenschaufel 71 einen Vorderabschnitt 32, einen
Zwischenabschnitt 33 und einen Hinterabschnitt 34. Das
Innere der Schaufel, das vom Vorderabschnitt 32 zum
Hinterabschnitt 34 über den Zwischenabschnitt 33 reicht,
ist in eine Anzahl von sich in der Spannweitenrichtung
erstreckenden Kühlstromdurchgangn durch Trennwände 66 und
72 aufgeteilt, die parallel zur Drehrichtung R der
Schaufel verlaufen, sowie Trennwände 67, die senkrecht
zur Drehrichtung R der Schaufel sind.
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Die im Zwischenabschnitt 33 ausgebildeten
Kühlstromdurchgangn umfassen eine Anzahl druckseitiger
Strömungspassagen 68, die auf der Druckseite liegen und
durch die das Kühlmittel in der Radialrichtung nach außen
strömt, eine Anzahl erster ansaugseitiger
Strömungsdurchgänge 73, die an der Ansaugseite liegen und
durch die das Kühlmittel in der Radialrichtung nach innen
fließt, sowie zweite ansaugseitige
Strömungsdurchgänge 74, die an die ersten ansaugseitigen
Kühlstromdurchgänge 73 an den Trennwänden 72 anschließen
und durch die das Kühlmittel in der Radialrichtung nach
außen strömt. In dieser Anordnung bilden die
druckseitigen Strömungspassagen 68, die ersten ansaugseitigen
Strömungspassagen 73 und die zweiten ansaugseitigen
Strömungspassagen 74 eine kontinuierliche
Rückströmanordnung, die an den Umkehrabschnitten 39 des
Vorderabschnitts 37 und des Fußes 38 zurückströmt.
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Im vorderen Teil des Zwischenabschnitts 33 stehen
der druckseitige Strömungsdurchgang 68 und der erste
ansaugseitige Strömungsdurchgang 73 miteinander am
Umkehrabschnitt 39 des Vorderabschnitts 37 in Verbindung,
und der erste ansaugseitige Strömungsdurchgang 73 und der
zweite ansaugseitige Strömungsdurchgang 74, der an dessen
Hinterkantenseite angeordnet ist, stehen miteinander am
Umkehrabschnitt 39 des Schaufelfußes 38 in Verbindung.
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Im Mittelteil des Zwischenabschnitts 33 stehen die
druckseitigen Strömungsdurchgänge 68 und die ersten
ansaugseitigen Strömungsdurchgänge 73 miteinander am
Umkehrabschnitt 39 des Vorderabschnitts 37 in Verbindung,
und die ersten ansaugseitigen Strömungsdurchgänge 73 und
die zweiten ansaugseitigen Strömungsdurchgänge 74, die an
der Vorderseite angeordnet sind, stehen miteinander an
den Umkehrabschnitten 39 in Verbindung.
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Im hinteren Teil des Zwischenabschnitts 33 stehen
der druckseitige Strömungsdurchgang 68 und der erste
ansaugseitige Strömungsdurchgang 73 miteinander an dem
Umkehrabschnitt 39 des Vorderabschnitts 37 in Verbindung,
und der erste ansaugseitige Strömungsdurchgang 73 sowie
der zweite ansaugseitige Strömungsdurchgang 74, die an
seiner Vorderseite und seiner Hinterseite angeordnet
sind, stehen miteinander am Umkehrabschnitt 39 des
Schaufelfußes 38 in Verbindung.
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Filmbohrungen 48 sind in der ansaugseitigen
Schaufeloberfläche 46 an dem ansaugseitigen
Strömungsdurchgang 74 und in der druckseitigen
Schaufeloberfläche 47 an den druckseitigen Strömungsdurchgängen 68
ausgebildet. Strahl- bzw. Düsenbohrungen 53 sind im
Vorderabschnitt 37 an den ersten ansaugseitigen
Strömungsdurchgängen 73 und den zweiten ansaugseitigen
Strömungsdurchgängen 74 ausgebildet. Eine große Zahl
vorspringender Rippen 64 ist an den Innenwandflächen der
druckseitigen Strömungsdurchgänge 68 und der ersten
ansaugseitigen Strömungsdurchgänge 73 ausgebildet.
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Das vom innenseitigen Fuß 38 zugeführte Druckmittel
wird über den Vorderabschnitt 32, den
Zwischenabschnitt 33 und den Hinterabschnitt 34 verteilt und
strömt durch diese.
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Im Zwischenabschnitt 33 strömt das zugeführte
Kühlmittel durch den druckseitigen Durchgang 68 in der
Radialrichtung nach außen. Es kehrt am Umkehrabschnitt 39
des Vorderabschnitts 37 um und strömt durch den ersten
ansaugseitigen Durchgang 73 in der Radialrichtung nach
innen. Desweiteren kehrt es am Umkehrabschnitt 39 des
Fußes 38 um und strömt durch den zweiten ansaugseitigen
Strömungsdurchgang 74 in der Radialrichtung nach außen.
Ein Teil des Kühlmittels wird über die Filmbohrungen 48
ausgestoßen, um eine Filmabkühlung auszuführen, und der
andere Teil des Kühlmittels wird durch die Strahl- bzw.
Düsenbohrungen 53 in den Hauptstrom abgeführt.
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Die Kühlstromdurchgangn werden durch die
Trennwände 66 und 72 unterteilt, die parallel mit der
Schaufeldrehrichtung R sind. Die das
Wärmeübertragungsverhältnis verstärkende Wirkung aufgrund einer Coriolis-
Kraft wird ohne Verlust in den druckseitigen
Strömungspassagen 68 und der ersten ansaugseitigen
Strömungspassage 73 genutzt, die durch die vertikalen
Trennwände 67 unterteilt sind, und es kommt zu einer hohen
internen Wärmeübertragung.
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Eine dritte Ausführungsform einer gekühlten
Turbinenschaufel gemäß der vorliegenden Erfindung wird im
folgenden mit Bezug auf die Fig. 12 und 13 beschrieben.
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Fig. 12 ist eine Längsschnittansicht der gekühlten
Turbinenschaufel und Fig. 13 eine vergrößerte
perspektivische Ansicht eines Wirbelerzeugers.
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In den Fig. 12 und 13 strömt das von dem
Schaufelfuß 83 dem Vorderabschnitt 82 der gekühlten
Turbinenschaufel 81 zugeführte Kühlmittel durch die
Kühlstromdurchgangn 84, die sich in der
Spannweitenrichtung erstrecken, um eine
Beaufschlagungskühlung auszuführen. In einer Vorderkante 85 sind
Duschköpfe 86 zum Ausführen einer Filmabkühlung ausgebildet.
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Ein Rückströmdurchgang 87 und Nadelgrate 88 führen
eine erzwungene Konvektionskühlung in dem Bereich der
Schaufel vom Zwischenabschnitt zur Hinterkante aus. Das
Kühlmittel strömt durch einen Kühlstromdurchgang 89 und
passiert dann den Rückströmdurchgang 87, der parallel
hierzu an der Hinterkantenseite ausgebildet ist.
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Danach strömt das Kühlmittel durch die in der
Wandfläche des letzten Strömungsdurchgangs 90 ausgebildeten
Öffnungen 91 und in einen Hinterabschnitt 92, der mit den
Nadelgraten 88 versehen ist. Das in den
Hinterabschnitt 92 strömende Kühlmittel führt eine
Konvektionskühlung an den Nadelgraten 88 aus und wird dann an der
Hinterkante 93 ausgestoßen.
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Vorstehende Rippen 94 und 95 des Wirbelerzeugers
sind als Kühlelemente an den Innenwandflächen der
Kühlstromdurchgang 84 im Vorderabschnitt 82, des
Rückströmdurchgangs 87 und des Kühlstromdurchgangs 89 im
Schaufelbereich von dem Zwischenabschnitt zur Hinterkante
und dem letzten Strömungsdurchgang 90 hin vorgesehen. Die
vorstehenden Rippen 94 und 95 sind senkrecht zur
Strömungsrichtung X des Kühlmittels und voneinander mit
vorbestimmten Zwischenabständen in der
Strömungsrichtung X getrennt. Jede Rippe hat eine
rechteckige, sich in der Strömungsrichtung X erstreckende
Form, und dreieckige Einkerbungen 96, die von der
stromabwärtigen Seite her eingeschnitten sind, sind im
hinteren Abschnitt der Rippe ausgebildet.
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Das Kühlmittel wird zuerst von den Rippen 94 und 95
an deren Vorderkanten aufgeteilt. Sodann bildet das von
den Oberkanten der in den Hinterabschnitten der Rippen
ausgebildeten Einkerbungen 96 aufgeteilte Kühlmittel
Längswirbel und wird ausgestoßen. Die aufgeteilte
Kühlmittelströmung von den Vorderkanten der Rippen und
die Längswirbel überlagern sich, um eine starke Turbulenz
des Kühlmittels zu erzeugen. Im Ergebnis wird das
Wärmeübertragungsverhältnis in den
Kühlstromdurchgängen 84 und 89 und den Durchgängen 87 und
90 verbessert, und die Innenwandflächen, an denen die
Rippen 94 und 95 vorgesehen sind, werden wirksam
abgekühlt.
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Die Rippen 94 und 95 sind so vorgesehen, daß die
Einkerbungen 96 aufeinanderfolgender Rippen 94 in einer
versetzten Weise angeordnet sind. Diese Anordnung
bewirkt, daß die an den Oberkanten der Einkerbungen 96
erzeugten Längswirbel zerstreut und in der
Breitenrichtung abgeführt werden. Dies kann das
Wärmeübertragungsverhältnis im wesentlichen über den gesamten
Bereich der inneren der Kühlstromdurchgänge 84 und 89 und
der Strömungsdurchgänge 87 und 90 verbessern, und die
Innenwandflächen, an denen die Rippen 94 und 95
vorgesehen sind, werden wirksam abgekühlt.
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In dieser Ausführungsform sind eine oder zwei
Einkerbungen 96 in jeder Rippe 94, 95 ausgebildet. Die
Anzahl der Einkerbungen 96 und ihre Form sind jedoch
nicht auf diejenigen dieser Ausführungsform beschränkt.
Die Einkerbungen 96 sind in dieser Ausführungsform an der
stromabwärtigen Seite der Hauptströmung des Kühlmittels
ausgebildet, können aber auch auf der stromaufwärtigen
Seite ausgebildet sein, da Längswirbel in beiden Fällen
erzeugt werden.
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Eine fünfte Ausführungsform wird nun mit Bezug auf
die Fig. 14, die eine perspektivische Ansicht ist,
beschrieben. Gemäß Fig. 14 haben Rippen 97 von
Wirbelerzeugern als Kühlelemente eine trapezoide, in der
Strömungsrichtung X des Kühlmittels verlaufende Form.
Ähnlich der vierten Ausführungsform sind dreieckige
Einkerbungen 98 in der stromaufwärtigen Seite der Rippe
eingeschnitten und in vorbestimmten Abschnitten in der
Strömungsrichtung X angeordnet.
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Die Einkerbungen 98 sind so angeordnet, daß ihre
Oberkanten unter einem Anstellwinkel bezüglich der
Strömung des Kühlmittels schräggestellt bzw. geneigt
sind, und viele Wirbel an den Kanten der Einkerbungen 98
erzeugt werden. Damit liefern die Einkerbungen 98 eine
starke Konvektionskühlwirkung, und ein mit den Rippen 97
versehenes gekühltes Element (nicht dargestellt),
beispielsweise eine gekühlte Turbinenschaufel, die mit
Strömungsdurchgängen des Kühlmittels ausgebildet ist,
kann wirksam abgekühlt werden.
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Die Einkerbungen 98 sind in versetzter Weise längs
der Strömungsrichtung X des Kühlmittels angeordnet, wenn
eine Vielzahl von Rippen 97 an dem gekühlten Element
vorgesehen ist. Diese Anordnung erbringt eine wirksamere
Abkühlung. Es ist nicht immer erforderlich, daß die
Rippen 97 dieselbe Höhe, von der Strömungsrichtung X
gemäß Fig. 14 aus gesehen, aufweisen. Die Größe und die
Form der Einkerbungen 98 sind nicht immer auf diejenigen
gemäß Fig. 14 beschränkt.
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Eine sechste Ausführungsform wird im folgenden mit
Verweis auf die Fig. 15 und 16 beschrieben. Fig. 15 ist
eine perspektivische Ansicht derselben und Fig. 16 eine
perspektivische Ansicht zur Darstellung einer
abgewandelten Anordnung.
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Gemäß Fig. 15 hat jede Rippe 99 eines
Wirbelerzeugers als Kühlelement eine rechteckige, sich in der
Strömungsrichtung X des Kühlmittels erstreckende Form und
weist zwei dreieckige, an der stromabwärtigen Seite
ausgebildete Einkerbungen 100 ähnlich der Rippe der vierten
Ausführungsform auf. Beide Endflächen 101 der Rippe 99
sind unter einem vorbestimmten Winkel bezüglich der
Strömungsrichtung X des Kühlmittels geneigt bzw.
schräggestellt.
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Wenn die Rippen 99 in einem Strömungsdurchgang 102
des Kühlmittels in einem gekühlten Element,
beispielsweise einer gekühlten Turbinenschaufel, vorgesehen sind,
werden die zwischen den Endflächen 101 und den
Strömungsdurchgangswänden 103 festgelegten Abstände 104 an der
stromabwärtigen Seite enger gestaltet. Die Strömung des
durch die Oberkante jeder Einkerbung 100 aufgeteilten
Kühlmittels bildet Längswirbel und wird abgeführt. Die
von den Vorderkanten der Rippen aufgeteilte Strömung und
die Längswirbel überlagern sich, um starke Turbulenzen
des Kühlmittels zu erzeugen. Da nicht nur weitere
Längswirbel an beiden Endflächen 101 erzeugt werden, sondern
das Kühlmittel auch beschleunigt wird, kann die
Konvektionskühlwirkung in den Strömungsdurchgängen 102 des
Kühlmittels weiter verstärkt und dadurch die Abkühlung
der gekühlten Turbinenschaufel wirksam gestaltet werden.
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Gemäß Fig. 16 sind den Strömungsdurchgang 102
überquerende Rippenreihen in vorbestimmten Abständen in der
Strömungsrichtung X angeordnet. Einige Rippenreihen
umfassen jeweils Rippen 105, die jeweils drei dreieckige
Einkerbungen 100 ähnlich denjenigen der Rippe 99
aufweisen, und die anderen Rippenreihen 106 haben keine
Einkerbungen. Beide Rippenreihen sind alternierend
angeordnet. Die Flächen beider Endabschnitte 101 der
Rippen 105 bzw. 106 sind unter einem vorbestimmten Winkel
bezüglich der Strömungsrichtung X des Kühlmittels
geneigt, und die stromabwärtige Seite jeder Rippe ist
schmäler als ihre stromaufwärtige Seite.
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Ein Abstand 107 zwischen den Rippen 105 und 106 ist
in der Strömungsrichtung X des Kühlmittels enger
gestaltet. Damit wirkt die Erzeugung von Längswirbeln an beiden
Endflächen 101 der Rippen 105 und 106 sowie die
Beschleunigung des den Spalt 107 zwischen den Rippen 105 und 106
passierenden Kühlmittels zusammen, um eine wirksame
Konvektionskühlung auszuführen, und das abgekühlte Element,
beispielsweise eine gekühlte Turbinenschaufel, welche den
Strömungsdurchgang 102 bildet, kann wirksam abgekühlt
werden. Die versetzte Anordnung der Einkerbungen 100 in
der Strömungsrichtung X des Kühlmittels gestattet eine
wirksame Konvektionskühlung.
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Eine siebte Ausführungsform wird nun mit Verweis auf
Fig. 17 beschrieben, die eine perspektivische Ansicht
ist. Gemäß Fig. 17 hat eine Rippe 108 eines
Wirbelerzeugers als Kühlelement eine rechteckige Form, die sich
in der Strömungsrichtung X des Kühlmittels erstreckt, und
vöm hinteren Abschnitt der Rippe 108 aus sind mit
Sägezähnen versehene Einkerbungen 109 ausgebildet.
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Wenn die Einkerbungen 109 in einem
Strömungsdurchgang 102, durch den das Kühlmittel strömt, angeordnet
sind, werden viele Längswirbel an den Kanten der
Einkerbungen 109 auf dieselbe Weise wie bei den Rippen der
vierten Ausführungsform gebildet, und es wird eine starke
Turbulenz des Kühlmittels erzeugt. Folglich kann die
Wärmeübertragungsrate verbessert werden. Die
Einkerbun
gen 108 können in dem stromaufseitigen Endabschnitt der
Rippe 108 ausgebildet sein, und der Einschnittwinkel der
Kerben 108 und deren Größe sind nicht auf die in der
Fig. 17 gezeigten beschränkt.
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Im folgenden wird eine achte Ausführungsform mit
Verweis auf Fig. 18 beschrieben, die eine perspektivische
Ansicht ist. Wie Fig. 18 zeigt, hat eine Rippe 110 eines
Wirbelerzeugers als Kühlelement eine rechteckige Form,
die sich in der Strömungsrichtung X des Kühlmittels
erstreckt, und vom Hinterabschnitt der Rippe aus sind
dreieckige Einkerbungen 111 ausgebildet.
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Wenn die Rippen 110 in einem Strömungsdurchgang 102
angeordnet sind, werden an den Kanten der
Einkerbungen 111 viele Längswirbel gebildet, und eine starke
Turbulenz des Kühlmittels wird ähnlich wie bei den Rippen
der siebten Ausführungsform erzeugt. In dieser Hinsicht
hat diese Ausführungsform eine der siebten
Ausführungsform ähnliche Wirkung. Die Einkerbungen 111
können im stromaufseitigen Abschnitt der Rippe 110
ausgebildet sein, und die Anzahl der Einkerbungen 111
sowie ihre Größe ist nicht auf die in Fig. 18 gezeigte
beschränkt.
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Die neunte Ausführungsform wird nun unter Bezug auf
die Fig. 19 beschrieben, die eine perspektivische Ansicht
ist. Gemäß Fig. 19 hat eine Rippe 112 eines
Wirbelerzeugers als Kühlelement eine rechteckige Form, die sich
in der Strömungsrichtung X des Kühlmittels erstreckt, und
vom hinteren Abschnitt der Rippe aus sind
trapezoidförmige Einkerbungen 113 ausgebildet.
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Wenn die Rippen 112 in einem Strömungsdurchgang 102
vorgesehen sind, werden viele Längswirbel an den Kanten
der Einkerbungen 113 gebildet, und es wird eine starke
Turbulenz des Kühlmittels ähnlich wie bei den Rippen der
siebten Ausführungsform erzeugt. In dieser Hinsicht hat
diese Ausführungsform eine ähnliche Wirkung wie die der
siebten Ausführungsform. Die Einkerbungen 113 können im
stromaufseitigen Abschnitt der Rippe 112 ausgebildet
sein, und die Anzahl der Einkerbungen sowie ihre Größe
sind nicht auf die in Fig. 19 gezeigten beschränkt.
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Im folgenden wird eine zehnte Ausführungsform mit
Verweis auf Fig. 20 beschrieben, die eine perspektivische
Ansicht ist. Gemäß Fig. 20 hat eine Rippe 114 eines
Wirbelerzeugers als Kühlelement einen dreieckigen
Querschnitt, der sich in der Strömungsrichtung X des
Kühlmediums erstreckt, und vom hinteren Abschnitt der Rippe
aus sind dreieckige Einkerbungen 115 ausgebildet.
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Wenn die Rippen 114 in einem Strömungsdurchgang 102
vorgesehen sind, wobei das Vorderende (der Scheitelpunkt
des Dreiecks) jeder Rippe 114 in die Strömungsrichtung X
der Strömungsdurchgänge 102, durch die das Kühlmittel
strömt, gerichtet ist, verhindern die Einkerbungen 115
die Bildung eines Stagnationsbereichs vor den Rippen,
wodurch ein Druckverlust des Kühlmittels verringert
werden kann.
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Da der Stagnationsbereich verringert wird, wird eine
Staubablagerung um die Rippen 114 unterdrückt, und es
kann verhindert werden, daß die Kühleigenschaft des
Kühlelements verringert wird. An den Kanten der
Einkerbungen 115 werden viele Längswirbel gebildet, und eine
starke Turbulenz des Kühlmittels wird in ähnlicher Weise
wie im Fall der siebten Ausführungsform erzeugt. Somit
erzielt diese Ausführungsform eine ähnliche Wirkung wie
die der siebten Ausführungsform.
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Wenn eine Erhöhung des Druckverlusts und eine
Staubansammlung um die Rippen 114 außer Frage stehen, können
die Einkerbungen 115 an der stromaufwärtigen Seite jeder
Rippe ausgebildet sein, und die Anzahl und Größe der
Einkerbungen 115 sind nicht immer auf die in Fig. 20
gezeigten beschränkt.
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Im folgenden wird eine elfte Ausführungsform mit
Verweis auf Fig. 21 beschrieben, die eine perspektivische
Ansicht ist. Gemäß Fig. 21 hat jede der Rippen 116 eines
Wirbelerzeugers als Kühlelement einen dreieckigen
Querschnitt, der sich in der Strömungsrichtung X des
Kühlmittels erstreckt, und vom hinteren Abschnitt der
Rippe 106 aus sind dreieckige Einkerbungen 117 und 118
mit verschiedenen Größen ausgebildet.
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Da die Einkerbungen 117 und 118 verschiedene
Einschnittiefen aufweisen, können die Höhen der
Einkerbungskanten, an denen Längswirbel erzeugt werden, geändert
werden. Damit kann eine starke Turbulenz durch
Längswirbel produziert werden, die sowohl bei
unterschiedlichen Breiten als auch bei unterschiedlichen Höhen
erzeugt werden, und die Konvektionskühlwirkung wird
verbessert.
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Wenn eine Erhöhung des Druckverlustes und eine
Staubansammlung um die Rippen 116 außer Frage stehen,
können die Einkerbungen 117 und 118 an der
stromaufwärtigen Seite jeder Rippe ausgebildet sein, und die
Anzahl und Größe der Einkerbungen sind nicht immer auf
die in Fig. 21 gezeigten beschränkt.
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Nun wird eine zwölfte Ausführungsform unter Bezug
auf die Fig. 22 beschrieben, die eine perspektivische
Ansicht ist. Gemäß Fig. 22 hat jede der Rippen 119 eines
Wirbelerzeugers als Kühlelement die Form eines
drei
eckigen Prismas. Die Rippen 119 sind in einem
Strömungsdurchgang 102 angeordnet, wobei Zwischenräume 120
zwischen benachbarten Rippen 119 vorgesehen sind und die
Scheitelpunkte hiervon zur stromabwärtigen Seite hin
gerichtet sind.
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Das Kühlmittel wird durch die Kanten der Rippen 119
aufgeteilt und bildet viele Längswirbel im Kühlmittel,
wodurch eine starke Turbulenz im Kühlmittel erzeugt wird.
Auf diese Weise kann die Wärmeübertragungsrate in dem
Strömungsdurchgang 102 verbessert werden. Da die
stromabwärtige Seite des Zwischenraums 120 in bezug auf die
Strömungsrichtung X des Kühlmittels enger ist als die
stromaufwärtige Seite des Zwischenraums 120, wird das die
Zwischenräume zwischen den Rippen 119 passierende
Kühlmittel beschleunigt, um eine wirksame Konvektionskühlung
auszuführen.
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In dieser Ausführungsform wird ein
Stagnationsbereich vor den Rippen 119 vermindert. Damit wird der
Druckverlust des Kühlmittels reduziert. Ein
Stagnationsbereich im Strömungsdurchgang 102 wird ebenfalls
verringert. Daher kann eine Staubansammlung um die
Rippen 119 unterdrückt und eine Verminderung der
Kühlkapazität des Elements verhindert werden.
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In Fig. 22 sind die Rippen 119 in der Form eines
Dreieckprismas in einer Reihe angeordnet. Es ist jedoch
vorzuziehen, daß die Rippen 119 in einer versetzten Art
und Weise hinsichtlich der Strömungsrichtung des
Kühlmittels angeordnet werden. Die Größe und die Form der
Rippen 119 sind nicht immer auf die in Fig. 22 gezeigten
beschränkt. Rippen mit verschiedenen Größen können an
deren Stelle angewandt werden. Wenn die Rippen mit
Dreieckprismaform schräg geschnitten sind, können Längswirbel
wirksamer erzeugt werden, und die Wärmeübertragung in den
Strömungsdurchgängen 102 wird weiter verbessert.
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Eine dreizehnte Ausführungsform wird im folgenden
unter Bezugnahme auf die Fig. 23 beschrieben, die eine
perspektivische Ansicht ist. Gemäß Fig. 23 hat jede der
Rippen 121 eines Wirbelerzeugers als Kühlelement eine
dreieckige Keilform. Die Rippen 121 sind so angeordnet,
daß ihre Scheitelpunkte zur stromaufwärtigen Seite hin
gerichtet sind, so daß Zwischenräume 120 zwischen
benachbarten Rippen 121 im Strömungsdurchgang 102, durch den
das Kühlmittel strömt, gebildet werden. Diese Struktur
erbringt eine ähnliche Wirkung wie die der zwölften
Ausführungsform.
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Im folgenden wird eine vierzehnte Ausführungsform
mit Verweis auf Fig. 24 beschrieben, die eine
perspektivische Ansicht ist. Gemäß Fig. 24 hat jede der Rippen 122
eines Wirbelerzeugers als Kühlelement eine rechteckige
Keilform. Die Rippen 122 sind mit ihren Scheitelpunkten
zur stromaufwärtigen Seite hin gerichtet angeordnet, so
daß die Zwischenräume 120 zwischen benachbarten
Rippen 122 im Strömungsdurchgang 102, durch den das
Kühlmittel strömt, gebildet werden. Diese Struktur erbringt
eine ähnliche Wirkung wie die der zwölften
Ausführungsform.
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Im folgenden wird eine fünfzehnte Ausführungsform
unter Bezugnahme auf Fig. 25 beschrieben, die eine
perspektivische Ansicht ist. Gemäß Fig. 25 hat jede der
Rippen 123 eines Wirbelerzeugers als Kühlelement eine
tetraederartige Keilform. Die Rippen 123 sind mit ihren
Scheitelpunkten zur stromaufwärtigen Seite hin gerichtet
angeordnet, so daß Zwischenräume 120 zwischen
benachbarten Reihen von Rippen 123 gebildet werden. Diese
Struktur erbringt eine ähnliche Wirkung wie die der
zwölften Ausführungsform. Wie gezeigt, sind die
Rippen 123 in einer versetzten Weise angeordnet, wobei
ein vorbestimmter Abstand bzw. Zwischenraum in der
Strömungsrichtung X des Kühlmittels gelassen ist, so daß
eine wirksame Konvektionskühlung stattfinden kann.
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Eine sechzehnte Ausführungsform wird nun mit Verweis
auf Fig. 26 beschrieben, die eine perspektivische Ansicht
ist. Gemäß Fig. 26 hat jede der Rippen 124 eines
Wirbelerzeugers als Kühlelement eine dreieckige Keilform. Die
Rippen 124 sind mit ihren Scheitelpunkten zur
stromaufwärtigen Seite hin gerichtet angeordnet, so daß die
Zwischenräume 120 zwischen den benachbarten Rippen 124
gebildet werden. Eine Einkerbung 125 mit
Dreieckprismaform ist im hinteren Abschnitt der Rippe 124 ausgebildet.
Diese Struktur erbringt eine ähnliche Wirkung wie die der
zwölften Ausführungsform. Statt der Rippen 124 mit
dreieckiger Keilform können die Rippen der zwölften bis
vierzehnten Ausführungsformen verwendet werden.
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Im folgenden wird eine siebzehnte Ausführungsform
unter Bezugnahme auf Fig. 27 beschrieben, die eine
perspektivische Ansicht ist. Gemäß Fig. 27 hat eine
Rippe 126 eines Wirbelerzeugers als Kühlelement einen
stromlinienförmigen Querschnitt, der sich in der
Strömungsrichtung X des Kühlmittels erstreckt.
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Wenn die Rippen 126 in einem Strömungsdurchgang 102,
durch den das Kühlmittel strömt, vorgesehen sind, werden
viele Längswirbel hergestellt und eine starke Turbulenz
des Kühlmittels erzeugt. Damit erbringt diese
Ausführungsform eine der siebten Ausführungsform ähnliche
Wirkung.
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Eine achtzehnte Ausführungsform wird nun mit Bezug
auf Fig. 28 beschrieben, die eine perspektivische Ansicht
ist. Gemäß Fig. 28 hat eine Rippe 127 eines
Wirbelerzeugers als Kühlelement einen stromlinienförmigen
Querschnitt, der sich in der Strömungsrichtung X des
Kühlmittels erstreckt. Eine Einkerbung 128 mit
Dreieckprismaform ist im hinteren Abschnitt jeder Rippe 127
ausgebildet.
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Wenn die Rippen 127 in einen Strömungsdurchgang 102
eingesetzt sind, werden viele, werden viele Längswirbel
von den Kanten der Einkerbungen 128 aus längs der
Oberflächen der Rippen 127 ähnlich wie bei den Rippen der
siebten Ausführungsform geführt, um eine starke Turbulenz
des Kühlmittels zu erzeugen. In dieser Hinsicht erbringt
diese Ausführungsform eine ähnliche Wirkung wie die
siebte Ausführungsform.
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Jeder der in den Fig. 12 bis 28 dargestellten
Wirbelerzeuger weist eine Einkerbung bzw. Einkerbungen
oder einen Vorsprung bzw. Vorsprünge auf. Der Vorsprung
bzw. die Einkerbung jedes Wirbelerzeugers ist zur
Strömungs(richtung) des Kühlmittels hin geneigt. Daher
wird ein Längswirbel an dem Vorsprung oder der Einkerbung
erzeugt, der die Strömung des Kühlmittels so ablenkt, daß
das Mittel auf die Innenfläche des Kühlstromdurchgangs
aufprallt. Dies erhöht die Kühlwirkung. Außerdem erzeugt
der Wirbelerzeuger Längswirbel ähnlich denen, die durch
die oben erwähnte Coriolis-Kraft erzeugt werden. Da die
durch die Wirbelerzeuger erzeugten Längswirbel einander
nicht stören, beeinflussen sie die Kühlwirkung nicht
nachteilig.
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Die Vorsprünge oder die Einkerbungen sind nicht auf
dreieckige beschränkt. Sie können jede beliebige Form
haben, vorausgesetzt, daß sie eine Kante aufweisen, die
zur Strömung des Kühlmittels unter einem Winkel geneigt
ist, und daß ein Längswirbel an dieser Kante erzeugt
wird.
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Das Kühlmittel zur Verbesserung der Kühlwirkung
durch die oben beschriebenen Wirbelerzeuger ist auf die
anderen Vorrichtungen anwendbar. Beispielsweise ist die
pro Einheitsfläche eines hochintegrierten
Halbleiterelements zu übertragende Wärmemenge extrem hoch und
beläuft sich manchmal auf die von einer gekühlten
Turbinenschaufel erzeugte. In einem derartigen Fall ist eine
ähnliche Kühleinrichtung wie die in der Turbinenschaufel
verwendete zur Kühlung des Halbleiterelements anwendbar.
Ausführungsformen hiervon werden mit Bezug auf die
Fig. 29 und 30 beschrieben.
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Im folgenden wird eine neunzehnte Ausführungsform
mit Verweis auf die Fig. 29 beschrieben, die eine
perspektivische Ansicht ist. Gemäß Fig. 29 ist eine
hochintegrierte Halbleiteranordnung (LSI), die eine große
Wärmemenge erzeugt, mit 129 bezeichnet. An der
Außenfläche dieses Pakets 130 sind Rippen 131 und 132 eines
Wirbelerzeugers als Kühlelement vorgesehen.
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Jede der Rippen 131 und 132 hat einen dreieckigen
Querschnitt, der sich in der Anordnungsrichtung der
Rippen erstreckt. Die Rippe 131 weist zwei
Einkerbungen 133 und die Rippe 132 eine Einkerbung 133 auf. Die
Einkerbung 133 ist an der Oberkante jeder Rippe
ausgebildet. Die Rippen 131 und 132 sind in vorbestimmten
Abständen in der erwähnten Anordnungsrichtung vorgesehen,
so daß die Einkerbungen 133 in einer versetzten Weise
angeordnet sind. Äußere Leitungen sind mit 134
bezeichnet.
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Die Halbleiteranordnung 129 ist auf einem Substrat
montiert und in ein elektronisches Gerät (nicht
dar
gestellt) in der Weise eingebaut, daß die
Anordnungsrichtung des Geräts 129 mit der Strömungsrichtung X des
Kühlmittels zusammenfällt, d. h. die Vorderenden (die
Scheitel der dreieckigen Rippen) sind zur
stromaufwärtigen Seite hin gerichtet. Das Gerät 129 arbeitet auf
normale Weise, während es durch ein durch das
elektronische Gerät strömendes Kühlmittel abgekühlt wird.
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In dem strömenden Kühlmittel werden an den Kanten
der Einkerbungen 133 der Rippen 131 und 132 viele
Längswirbel sowie eine starke Turbulenz des Kühlmittels
erzeugt, was eine starke Konvektionskühlwirkung erbringt.
Das verbesserte Wärmeübertragungsverhältnis gestattet
eine wirksame Kühlung der Halbleiteranordnung 129.
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Da vor den Rippen 131 und 132 kein
Stagnationsbereich erzeugt wird, kann der Druckverlust des
Kühlmittels verringert werden. Dies kann die Staubansammlung
um die Rippen 131 und 132 vermindern und eine
Verringerung der Kühlfähigkeit verhindern.
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Wenn eine Zunahme des Druckverlusts und eine
Staubansammlung um die Rippen 131 und 132 außer Frage stehen,
können die Einkerbungen 133 auf der stromaufwärtigen
Seite jeder Rippe gebildet werden, und Anzahl und Größe
der Einkerbungen sind nicht immer auf die in Fig. 29
gezeigten beschränkt.
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Im folgenden wird eine zwanzigste Ausführungsform
mit Verweis auf Fig. 30 beschrieben, die eine
perspektivische Ansicht ist. Gemäß Fig. 30 ist eine eine große
Wärmemenge erzeugende hochintegrierte Halbleiteranordnung
(LSI) mit 135 bezeichnet. An der Außenfläche ihres
Pakets 136 sind vorstehende Rippen 137 eines
Wirbelerzeugers als eine Vielzahl von Kühlelementen vorgesehen.
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Jede der Rippen 137 hat eine Dreieckprismaform. Sie
sind mit ihren Scheitelpunkten in derselben Richtung
ausgerichtet angeordnet. Zwischenräume 138 sind zwischen
Längsreihen der Rippen 137 in versetzter Weise
vorgesehen.
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Die Halbleiteranordnung 135 ist auf einem Substrat
angebracht und in ein elektronisches Gerät(nicht
dargestellt) in der Weise eingebaut, daß die Richtung der
Längsanordnung der Rippen 137 in versetzter Weise mit der
Strömungsrichtung X des Kühlmittels koinzidiert, d. h.,
die Scheitelpunkte der dreieckigen Rippen 137 sind zur
stromaufwärtigen Seite hin gerichtet. Das Gerät 135
arbeitet auf normale Weise, während es durch ein durch
das elektronische Gerät fließendes Kühlmittel abgekühlt
wird.
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Das Kühlmittel wird von den Kanten der Rippen 137 in
dem dahinströmenden Kühlmittel aufgeteilt, und die
aufgeteilte Strömung bildet viele Längswirbel. Es wird eine
starke Turbulenz des Kühlmittels erzeugt, um eine starke
Konvektionskühlwirkurig zu liefern. Damit wird das
Wärmeübertragungsverhältnis verbessert. Da die
Zwischenräume 138 zur stromabwärtigen Seite hin verengt sind,
wird das durch die Zwischenräume zwischen den Rippen 137
passierende Kühlmittel beschleunigt. Dies ergibt eine
wirksamere Konvektionskühlung. Deshalb wird die
Halbleiteranordnung 135 wirksam abgekühlt.
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Da kein Stagnationsbereich vor den Rippen 137
erzeugt wird, kann der Druckverlust des Kühlmittels
verringert werden, und eine Staubansammlung um die
Rippen 137 wird ebenfalls vermindert. Damit wird eine
Abnahme der Kühlfähigkeit verhindert.
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Die Größe und die Form der Rippen 137 sind nicht
immer auf die der in Fig. 30 gezeigten beschränkt,
sondern es kann eine Kombination von Rippen mit
verschiedenen Größen und / oder Formen angewandt werden.
Wenn schräggeschnittene Rippen mit Dreieckprismaform
angewandt werden, erzeugen diese wirksamer Längswirbel.
Damit kann eine weiter verbesserte Wärmeübertragung
erfolgen.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben
erwähnten Ausführungsformen und Abwandlungen beschränkt.
Es ist möglich, diese Ausführungsformen und Abwandlungen
zu kombinieren. Die vorliegende Erfindung ist in ihrem
Rahmen auf beliebige andere Ausführungsformen anwendbar.