EP0798448A2 - System and device to cool a wall which is heated on one side by hot gas - Google Patents

System and device to cool a wall which is heated on one side by hot gas Download PDF

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EP0798448A2
EP0798448A2 EP97810115A EP97810115A EP0798448A2 EP 0798448 A2 EP0798448 A2 EP 0798448A2 EP 97810115 A EP97810115 A EP 97810115A EP 97810115 A EP97810115 A EP 97810115A EP 0798448 A2 EP0798448 A2 EP 0798448A2
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EP
European Patent Office
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cooling
recesses
wall
insert
hot gas
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EP97810115A
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German (de)
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EP0798448A3 (en
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Günter Dr. Wilfert
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General Electric Switzerland GmbH
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
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Publication date
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Publication of EP0798448A3 publication Critical patent/EP0798448A3/en
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/186—Film cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
    • F01D5/188—Convection cooling with an insert in the blade cavity to guide the cooling fluid, e.g. forming a separation wall
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D5/188—Convection cooling with an insert in the blade cavity to guide the cooling fluid, e.g. forming a separation wall
    • F01D5/189—Convection cooling with an insert in the blade cavity to guide the cooling fluid, e.g. forming a separation wall the insert having a tubular cross-section, e.g. airfoil shape
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/201—Heat transfer, e.g. cooling by impingement of a fluid
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/221—Improvement of heat transfer
    • F05D2260/2212—Improvement of heat transfer by creating turbulence

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for cooling a wall surrounded on one side by hot gas, in particular the hollow profile body of a gas turbine blade, in accordance with the preamble of claim 1.
  • the blown-out cooling air must be redirected as quickly as possible and flow protectively along the profile surface.
  • a rapid lateral expansion of the cooling air is also required.
  • the curvature of the cooling air jets when they exit the holes cause a so-called kidney vortex, i.e. a pair of vertebrae consisting of a right-hand and a left-hand vertebra is generated.
  • this kidney vortex transports part of the hot gas between the holes directly onto the profile surface of the turbine blades and thus under the cooling air jets, which proves to be a serious disadvantage.
  • a major disadvantage of this solution is the weak intensity of the inner vertebra, so that it dissolves relatively quickly and cannot be used permanently to improve the cooling effectiveness.
  • fan-shaped bores are known to improve film cooling.
  • the blowout pulse of the cooling air jet is reduced by means of a diffuser formed in the bore.
  • a faster lateral spread of the cooling air jet is achieved, or an improved film cooling is achieved.
  • the production of such fan-shaped bores is very complex and a wall equipped with such bores is correspondingly expensive.
  • the invention tries to avoid all of these disadvantages. It is based on the task of creating a simple device with an improved cooling effect and a corresponding method for cooling a wall surrounded on one side by hot gas.
  • a radial rib is arranged on the inner surface of the wall upstream of each row of recesses.
  • the cooling insert in the region of the recesses, is deformed in the direction of the wall and is at least approximately parallel to the entry angle of the recesses.
  • the ribs also improve the convective cooling of the wall between the adjacent rows of recesses.
  • the deformation of the cooling insert in the region of the recesses, in the direction of the wall produces both an increased speed of the cooling fluid not flowing into the recesses but further downstream between the wall and the cooling insert, and also a flow directed towards the wall. Due to this additional impingement cooling and the increased flow rate, an improved heat transfer from the wall to the cooling fluid is achieved.
  • a wall cooled in this way can advantageously also be used as a combustion chamber wall or as a heat accumulation segment of a gas turbine.
  • the ribs are arranged up to approximately three times the diameter of the respective recesses, from the center of their entry and protrude approximately half to one diameter of the recesses into the cooling cavity.
  • the cooling insert closes the cooling cavity in the area of the recesses up to a maximum of 30% of the normal distance from the wall and cooling insert.
  • At least one spacer and / or at least one pin are arranged downstream of the recesses in the cooling cavity and connected to the inner surface of the wall.
  • the spacers extend to the cooling insert, while the pins end earlier.
  • the spacers already known from the prior art can be used very effectively in combination with the film cooling according to the invention. Their arrangement exactly between two rows of adjacent recesses is particularly advantageous. In this area, in which almost no film cooling is achieved up to approx. 5 recess diameters downstream of the center of the recess, the spacers act as additional heat sinks for the wall to be cooled, ie they ensure heat flow from the wall to the cooling fluid.
  • pins their additional surface area and the turbulent mixing of the cooling fluid generated with them also act as a heat sink.
  • the guide vane 1 of a gas turbine consists of a hollow profile body 2 which has a wall 3 designed as an outer jacket, a cooling insert 4 arranged at a distance therefrom and a cooling cavity 5 formed between the two.
  • a blade cavity 6 is formed, which is connected in a conventional manner to the compressor of the gas turbine system, not shown, and is acted upon by this with cooling air serving as cooling fluid 7.
  • the outer jacket 3 has an outer and an inner surface 8, 9, between which a plurality of rows of recesses 10 designed as cooling bores are arranged.
  • the blade cavity 6 is connected to the cooling cavity 5 via a plurality of openings 11 arranged in the cooling insert 4 (FIG. 1).
  • the guide vane 1 can also have only a single row of cooling bores 10.
  • hot gas 12 flows out of the combustion chamber (not shown) via the guide blades 1 and the rotor blades of the gas turbine, which are also not shown. Therefore, they have to be constantly cooled.
  • the cooling of the guide vanes 1 takes place by means of the cooling air 7 brought in by the compressor, which penetrates into the cooling cavity 5 via the openings 11 of the cooling insert 4 and initially convectively cools the inner surface 9 of the outer casing 3.
  • the cooling air 7 is then blown out through the cooling bores 10 in a plurality of cooling air jets on the outer surface 8 of the outer casing 3.
  • the curvature of these cooling air jets when they exit into the main flow of hot gas 12 occurs at an exit angle 13 of approximately 30 °.
  • FIG 3 shows an enlarged section of a guide vane 1 designed according to the invention.
  • a streamlined radial rib 15 is arranged on the inner surface 9 of the outer jacket 3 upstream of each row of cooling bores 10.
  • the cooling insert 4 is deformed in the area of the cooling bores 10 in the direction of the outer casing 3 and at least approximately in the process formed parallel to the entry angle 16 of the cooling air 7 in the cooling bores 10.
  • the rib 15 is arranged three times the diameter 17 of the cooling bore 10 away from its entry center 18. At a distance from the outer jacket 3 to the cooling insert 4, which corresponds to twice the diameter 17 of the cooling bore 10, the rib 15 projects a diameter 17 of the cooling bore 10 into the cooling cavity 5. In the area of the cooling bore 10, the cooling insert 4 is deformed in the direction of the outer shell 3 in such a way that it closes the cooling cavity 5 there up to 30% of its normal size.
  • the cooling air 7 is already in the cooling cavity 5, i.e. deflected in the direction upstream of the respective cooling bores 10 in their direction, thus preventing recirculation areas in the cooling bore 10.
  • the center of rotation of this so-called inner vertebrae 19 is not in the center of the cooling bore 10, but in the lower region of the cooling air jet (FIG. 4).
  • the design of the rib 15 leads to a substantially greater deflection of the cooling air 7 when it enters the cooling bores 10.
  • a deflection of approximately 30 ° was customary here, while the cooling air 7 is now deflected at an angle of up to 50 °.
  • the increased deflection of the cooling air 7 and the prevention of a recirculation area in the cooling bores 10 result in a significantly more stable inner vortex 19.
  • this inner vortex 19 is retained even when it exits from each of the cooling bores 10, while the undesired kidney vortex 14 is quickly dissolved in the upper region of the cooling air jet.
  • the inner vortex 19 now ensures that the hot gas 12 is cooled is guided to the outer surface 8 of the outer shell 3 of the guide vane 1.
  • a spacer 20 and a pin 21 are arranged in the cooling cavity 5, downstream of the cooling bore 10 and approximately centrally between two adjacent cooling bores 10. Both the spacer 20 and the pin 21 are connected to the inner surface 9 of the outer jacket 3, the spacer 20 extending to the cooling insert 4 and the pin 21 being shorter. Due to the central arrangement of spacer 20 and pin 21 between two adjacent cooling bores 10, the area with the lowest cooling effect, i.e. up to about five diameters 17 downstream of the outlet center point 22 of the cooling bore, sufficient heat flow from the outer jacket 3 to the cooling air 7 is achieved.
  • Such a cooling configuration is of course not restricted to the guide blades 1 of gas turbines. It can also be used in rotor blades, combustion chamber walls, heat accumulation segments of gas turbines or in other walls 3 surrounded on one side by hot gas 12.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)

Abstract

The surface is subjected to hot gas on one side and has a coolant duct (5) on the inside. The coolant duct is connected to the outside of the surface (3) by angled openings (10) through which coolant, namely air, is ducted over the outer surface. To enhance the outflow, deflectors (15) lie in the duct upstream of the openings and inside of the surface. This deflects the coolant away from the surface to an inward directed shape of the duct. This guides the coolant flow into the openings. The remainder of the duct has other flow control inserts (21) as well as supports (20) between the outer surface and the inner duct wall. The supports are rod shaped while the flow deflectors can be ribbed. The coolant forms a film over the outer surface.

Description

Technisches GebietTechnical field

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kühlung einer einseitig von Heissgas umgebenen Wand, insbesondere des Hohlprofilkörpers einer Gasturbinenschaufel, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device and a method for cooling a wall surrounded on one side by hot gas, in particular the hollow profile body of a gas turbine blade, in accordance with the preamble of claim 1.

Stand der TechnikState of the art

Zur Steigerung der Leistung und des Wirkungsgrades werden bei den heutigen Gasturbinenanlagen immer höhere Turbineneintrittstemperaturen verwendet. Um die Turbinenschaufeln vor den erhöhten Heissgastemperaturen zu schützen, müssen diese intensiver als bisher gekühlt werden. Bei entsprechend hohen Turbineneintrittstemperaturen reicht daher eine rein konvektive Kühlung nicht mehr aus. Abhilfe schafft hier die Filmkühlung, bei der die Turbinenschaufeln durch Kühlfilme vor dem Heissgas geschützt werden. Dazu sind in den Schaufeln entsprechende Ausnehmungen in Form von Bohrungen oder Schlitzen eingebracht, durch welche die Kühlluft ausgeblasen wird.In today's gas turbine plants, higher and higher turbine inlet temperatures are used to increase performance and efficiency. In order to protect the turbine blades from the increased hot gas temperatures, they have to be cooled more intensively than before. With correspondingly high turbine inlet temperatures, purely convective cooling is no longer sufficient. This is remedied by film cooling, in which the turbine blades are protected from the hot gas by cooling films. For this purpose, corresponding recesses in the form of bores or slots are made in the blades, through which the cooling air is blown out.

Eine solche Kombination von konvektiver Kühlung und Filmkühlung einer Turbinenschaufel ist bereits aus der EP-A2-258 754 bekannt. Bei dieser Lösung ist zumindest ein Kühleinsatz im Schaufelhohlraum angeordnet. Die aus Öffnungen des Kühleinsatzes austretende Kühlluft prallt zunächst auf die innere Oberfläche des Schaufelmantels, wird danach im Hohlraum zwischen Kühleinsatz und Schaufelmantel, diesen konvektiv kühlend geführt und tritt schliesslich über Bohrungen im Schaufelmantel auf dessen äussere Oberfläche, diese filmkühlend aus.Such a combination of convective cooling and film cooling of a turbine blade is already known from EP-A2-258 754. In this solution, at least one cooling insert is arranged in the blade cavity. The cooling air emerging from openings in the cooling insert initially impacts the inner surface of the blade casing and is then convectively cooled in the cavity between the cooling insert and the blade casing guided and finally exits through holes in the blade shell on its outer surface, this cooling film.

Für einen optimalen Kühleffekt muss die ausgeblasene Kühlluft möglichst schnell umgelenkt werden und schützend an der Profiloberfläche entlangströmen. Um auch die zwischen den Bohrungen liegenden Gebiete zu schützen, ist zudem eine schnelle seitliche Ausbreitung der Kühlluft erforderlich. In den Mischungsbereichen des Heissgases mit den Kühlluftstrahlen entstehen verschiedenste Wirbel, welche eine entscheidende Bedeutung für die Schutzwirkung einer Kühlkonfiguration besitzen. Beispielsweise wird durch die Krümmung der Kühlluftstrahlen bei deren Austritt aus den Bohrungen ein sogenannter Nierenwirbel, d.h. ein aus einem rechts- und einem linksdrehenden Wirbel bestehendes Wirbelpaar, erzeugt. Dieser Nierenwirbel transportiert jedoch einen Teil des Heissgases zwischen den Bohrungen direkt auf die Profiloberfläche der Turbinenschaufeln und damit unter die Kühlluftstrahlen, was sich als gravierender Nachteil erweist.For an optimal cooling effect, the blown-out cooling air must be redirected as quickly as possible and flow protectively along the profile surface. In order to protect the areas between the wells, a rapid lateral expansion of the cooling air is also required. In the mixing areas of the hot gas with the cooling air jets, a wide variety of vortices arise, which are of crucial importance for the protective effect of a cooling configuration. For example, the curvature of the cooling air jets when they exit the holes cause a so-called kidney vortex, i.e. a pair of vertebrae consisting of a right-hand and a left-hand vertebra is generated. However, this kidney vortex transports part of the hot gas between the holes directly onto the profile surface of the turbine blades and thus under the cooling air jets, which proves to be a serious disadvantage.

Es ist bereits bekannt, durch eine entsprechende Gestaltung (Konturierung) der Innengeometrie der Turbinenschaufel die Kühlluft so in die Bohrung umzulenken, dass dort ein Wirbelpaar, mit einem zum Nierenwirbel entgegengesetzten Drehsinn entsteht (s. G. Wilfert, Dissertationsschrift zum Thema "Experimentelle und numerische Untersuchungen der Mischungsvorgänge zwischen Kühlfilmen und Gitterströmung an einem hochbelasteten Turbinengitter", S.54, S.70-74 und Abb. 7.2, München 1994). Aufgrund eines solchen Innenwirbels dissipiert der Nierenwirbel sehr schnell und das Heissgas wird nicht seitlich unter den Kühlluftstrahl eingesaugt, sondern durch den Ausblasestrahl gekühlt zur Profiloberfläche geführt. Damit ist es möglich, die Kühleffektivität im Bohrungszwischenraum vorteilhaft und ohne vermehrte Zufuhr von Kühlluft zu steigern.It is already known to redirect the cooling air into the bore by appropriately designing (contouring) the internal geometry of the turbine blade in such a way that there is a pair of vertebrae with an opposite direction of rotation to the kidney vertebrae (see G. Wilfert, dissertation on the subject of "Experimental and numerical Investigations of the mixing processes between cooling films and grid flow on a highly loaded turbine grid ", p.54, p. 70-74 and Fig. 7.2, Munich 1994). Due to such an internal vertebra, the kidney vertebra dissipates very quickly and the hot gas is not sucked in laterally under the cooling air jet, but is guided to the profile surface in a cooled manner by the exhaust jet. This makes it possible to increase the cooling effectiveness in the bore space advantageously and without increasing the supply of cooling air.

Ein wesentlicher Nachteil dieser Lösung ist jedoch die schwache Intensität des Innenwirbels, so dass sich dieser relativ schnell auflöst und nicht dauerhaft zur Verbesserung der Kühleffektivität genutzt werden kann.A major disadvantage of this solution, however, is the weak intensity of the inner vertebra, so that it dissolves relatively quickly and cannot be used permanently to improve the cooling effectiveness.

Zur Verbesserung der Filmkühlung sind sogenannte fan-shaped-Bohrungen bekannt. Bei dieser Lösung wird der Ausblaseimpuls des Kühlluftstrahls mittels eines in der Bohrung ausgebildeten Diffusors herabgesetzt. Damit wird eine schnellere laterale Ausbreitung des Kühlluftstrahls erreicht, respektive eine verbesserte Filmkühlung erzielt. Die Herstellung solcher fan-shaped-Bohrungen ist jedoch sehr aufwendig und eine mit derartigen Bohrungen ausgestattete Wand entsprechend teuer.So-called fan-shaped bores are known to improve film cooling. In this solution, the blowout pulse of the cooling air jet is reduced by means of a diffuser formed in the bore. In this way, a faster lateral spread of the cooling air jet is achieved, or an improved film cooling is achieved. However, the production of such fan-shaped bores is very complex and a wall equipped with such bores is correspondingly expensive.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache, mit einer verbesserten Kühlwirkung ausgestattete Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zur Kühlung einer einseitig von Heissgas umgebenen Wand zu schaffen.The invention tries to avoid all of these disadvantages. It is based on the task of creating a simple device with an improved cooling effect and a corresponding method for cooling a wall surrounded on one side by hot gas.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei einer Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, stromauf jeder Reihe von Ausnehmungen eine radiale Rippe an der inneren Oberfläche der Wand angeordnet ist. Zudem ist der Kühleinsatz, im Bereich der Ausnehmungen, in Richtung der Wand verformt und dabei zumindest annähernd parallel zum Eintrittswinkel der Ausnehmungen ausgebildet.This is achieved according to the invention in that in a device according to the preamble of claim 1, a radial rib is arranged on the inner surface of the wall upstream of each row of recesses. In addition, the cooling insert, in the region of the recesses, is deformed in the direction of the wall and is at least approximately parallel to the entry angle of the recesses.

Mit dieser die konvektive Kühlung und die Filmkühlung kombinierenden Kühlkonfiguration wird die Einströmung des Kühlfluids in die Ausnehmungen verbessert, wodurch auch die diesbezüglichen Einlaufverluste reduziert werden. Dazu wird das Kühlfluid bereits vor Erreichen der Ausnehmungen in deren Richtung umgelenkt, wobei die Umlenkung mit Hilfe der Rippe wesentlich verstärkt wird. Vor allem erfolgt jedoch eine Verstärkung des sich jeweils innerhalb der Ausnehmungen ausbildenden und entgegengesetzt zum Nierenwirbel ausgerichteten Wirbelpaares, so dass dieses eine erhöhte Wirbelintensität aufweist. Dieser sich am unteren Strahlrand der jeweiligen Kühlluftstrahlen befindliche Innenwirbel bleibt nunmehr auch beim Austritt aus den Ausnehmungen erhalten, während der am oberen Strahlrand ausgebildete Nierenwirbel zwischen der Hauptströmung des Heissgases und dem Kühlluftstrahl aufgelöst wird. Dadurch wird das Heissgas nicht mehr seitlich unter den Kühlluftstrahl eingesaugt, sondern durch diesen gekühlt zur Oberfläche der Wand geführt. Auf diese Weise kann eine entscheidende Verbesserung der Filmkühlung erzielt werden.With this cooling configuration combining the convective cooling and the film cooling, the inflow of the cooling fluid into the recesses is improved, as a result of which the inlet losses in this regard are also reduced. This will be Cooling fluid is deflected in its direction before the recesses are reached, the deflection being significantly increased with the aid of the rib. Above all, however, the pair of vertebrae that form within the recesses and are oriented opposite to the kidney vertebra is strengthened, so that this has an increased vertebra intensity. This inner vortex located at the lower edge of the jet of the respective cooling air jets is now also retained when exiting the recesses, while the kidney vortex formed at the upper edge of the jet is dissolved between the main flow of hot gas and the cooling air jet. As a result, the hot gas is no longer sucked in laterally under the cooling air jet, but instead is guided through the cooling air to the surface of the wall. In this way, a decisive improvement in film cooling can be achieved.

Ausserdem wird durch die Rippen auch die konvektive Kühlung der Wand zwischen den benachbarten Reihen von Ausnehmungen verbessert. Die im Bereich der Ausnehmungen, in Richtung der Wand ausgebildete Verformung des Kühleinsatzes erzeugt sowohl eine erhöhte Geschwindigkeit des nicht in die Ausnehmungen sondern weiter stromab zwischen Wand und Kühleinsatz strömenden Kühlfluids als auch eine auf die Wand gerichtete Strömung. Aufgrund dieser zusätzlichen Prallkühlung und der erhöhten strömungsgeschwindigkeit wird ein verbesserter Wärmeübergang von der Wand zum Kühlfluid erreicht.In addition, the ribs also improve the convective cooling of the wall between the adjacent rows of recesses. The deformation of the cooling insert in the region of the recesses, in the direction of the wall, produces both an increased speed of the cooling fluid not flowing into the recesses but further downstream between the wall and the cooling insert, and also a flow directed towards the wall. Due to this additional impingement cooling and the increased flow rate, an improved heat transfer from the wall to the cooling fluid is achieved.

Schlussfolgernd daraus wird nicht nur die Filmkühlung sondern die gesamte Kühlung der Wand erheblich verbessert. Dadurch kann Kühlluft eingespart und an anderer Stelle vorteilhaft verwendet werden. Die Herstellungskosten einer solchen Kühlvorrichtung liegen im Vergleich zu denen herkömmlicher Kühlkonfigurationen nicht nennenswert höher. Gegenüber fan-shaped-Bohrungen ist jedoch eine wesentliche Kostenersparnis zu verzeichnen.In conclusion, not only the film cooling but also the overall cooling of the wall is significantly improved. As a result, cooling air can be saved and used advantageously elsewhere. The manufacturing cost of such a cooling device is not significantly higher than that of conventional cooling configurations. Compared to fan-shaped drilling, however, there is a significant cost saving.

Eine derart gekühlte Wand kann vorteilhaft auch als Brennkammerwand oder auch als Wärmestausegment einer Gasturbine verwendet werden.A wall cooled in this way can advantageously also be used as a combustion chamber wall or as a heat accumulation segment of a gas turbine.

Es ist besonders zweckmässig, wenn die Rippen bis etwa dem 3fachen Durchmesser der jeweiligen Ausnehmungen, von deren Eintrittsmittelpunkt entfernt angeordnet sind und ca. einen halben bis einen Durchmesser der Ausnehmungen in den Kühlhohlraum hineinragen. Der Kühleinsatz verschliesst den Kühlhohlraum im Bereich der Ausnehmungen bis auf maximal 30% des Normalabstandes von Wand und Kühleinsatz. Mit einer solchen Kühlkonfiguration lässt sich der Innenwirbel optimal an die konkreten Betriebsbedingungen anpassen, so dass ein stabiles Innenwirbelpaar die Folge ist. Ausserdem werden die Strömungsverluste des in die Ausnehmung eintretenden Kühlfluids verringert.It is particularly expedient if the ribs are arranged up to approximately three times the diameter of the respective recesses, from the center of their entry and protrude approximately half to one diameter of the recesses into the cooling cavity. The cooling insert closes the cooling cavity in the area of the recesses up to a maximum of 30% of the normal distance from the wall and cooling insert. With such a cooling configuration, the inner vortex can be optimally adapted to the specific operating conditions, so that a stable pair of inner vortexes is the result. In addition, the flow losses of the cooling fluid entering the recess are reduced.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn stromab der Ausnehmungen jeweils zumindest ein Abstandhalter und/oder zumindest ein Stift im Kühlhohlraum angeordnet und mit der inneren Oberfläche der Wand verbunden sind. Dabei reichen die Abstandhalter bis zum Kühleinsatz, während die Stifte bereits zuvor enden. Die bereits aus dem Stand der Technik bekannten Abstandhalter können in Kombination mit der erfindungsgemässen Filmkühlung sehr effektiv eingesetzt werden. Dabei ist deren Anordnung genau zwischen zwei Reihen benachbarter Ausnehmungen besonders vorteilhaft. In diesem Bereich, in dem bis ca. 5 Ausnehmungsdurchmesser stromab des Mittelpunktes der Ausnehmung nahezu keine Filmkühlung erzielt wird, wirken die Abstandhalter als zusätzliche Wärmesenken für die zu kühlende Wand, d.h. sie sorgen für einen Wärmeabfluss von der Wand zum Kühlfluid. Bei Verwendung von Stiften wirkt deren zusätzliche Oberfläche und die damit erzeugte, turbulente Durchmischung des Kühlfluids ebenfalls als Wärmesenke.It is also advantageous if at least one spacer and / or at least one pin are arranged downstream of the recesses in the cooling cavity and connected to the inner surface of the wall. The spacers extend to the cooling insert, while the pins end earlier. The spacers already known from the prior art can be used very effectively in combination with the film cooling according to the invention. Their arrangement exactly between two rows of adjacent recesses is particularly advantageous. In this area, in which almost no film cooling is achieved up to approx. 5 recess diameters downstream of the center of the recess, the spacers act as additional heat sinks for the wall to be cooled, ie they ensure heat flow from the wall to the cooling fluid. When using pins, their additional surface area and the turbulent mixing of the cooling fluid generated with them also act as a heat sink.

Kurze Beschreibung der ZeichnungBrief description of the drawing

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Gasturbinenleitschaufel dargestellt.In the drawing, an embodiment of the invention is shown using a gas turbine guide vane.

Es zeigen:

  • Fig. 1 einen Profilquerschnitt einer Gasturbinenleitschaufel des Standes der Technik;
  • Fig. 2 eine schematische Darstellung des auf der äusseren Oberfläche des Aussenmantel ausgebildeten Nierenwirbels, in Hauptströmungsrichtung gesehen;
  • Fig. 3 einen vergrösserten Ausschnitt der erfindungsgemäss ausgebildeten Gasturbinenleitschaufel, im Bereich einer der Ausnehmungen der Schaufelwand;
  • Fig. 4 einen Schnitt IV-IV durch die Ausnehmung der Leitschaufel, entsprechend Fig. 3.
Show it:
  • 1 shows a profile cross section of a gas turbine guide vane of the prior art;
  • 2 shows a schematic illustration of the kidney vertebra formed on the outer surface of the outer jacket, seen in the main flow direction;
  • 3 shows an enlarged section of the gas turbine guide vane designed according to the invention, in the region of one of the recesses of the vane wall;
  • 4 shows a section IV-IV through the recess of the guide vane, corresponding to FIG. 3.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt ist die gesamte Gasturbinenanlage mit dem Verdichter und der Gasturbine. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.Only the elements essential for understanding the invention are shown. The entire gas turbine system with the compressor and the gas turbine is not shown. The direction of flow of the work equipment is indicated by arrows.

Weg zur Ausführung der ErfindungWay of carrying out the invention

Die Leitschaufel 1 einer Gasturbine besteht aus einem Hohlprofilkörper 2, der eine als Aussenmantel ausgebildete Wand 3, einen im Abstand dazu angeordneten Kühleinsatz 4 und einen zwischen beiden ausgebildeten Kühlhohlraum 5 aufweist. Im Inneren des Kühleinsatzes 4 ist ein Schaufelhohlraum 6 ausgebildet, welcher auf herkömmliche Weise mit dem nicht dargestellten Verdichter der Gasturbinenanlage verbunden ist und von diesem mit als Kühlfluid 7 dienender Kühlluft beaufschlagt wird. Der Aussenmantel 3 besitzt eine äussere und eine innere Oberfläche 8, 9, zwischen denen mehrere Reihen von als Kühlbohrungen ausgebildete Ausnehmungen 10 angeordnet sind. Der Schaufelhohlraum 6 ist über mehrere im Kühleinsatz 4 angeordnete Öffnungen 11 mit dem Kühlhohlraum 5 verbunden (Fig. 1). Natürlich kann die Leitschaufel 1 auch nur eine einzige Reihe von Kühlbohrungen 10 besitzen.The guide vane 1 of a gas turbine consists of a hollow profile body 2 which has a wall 3 designed as an outer jacket, a cooling insert 4 arranged at a distance therefrom and a cooling cavity 5 formed between the two. In the interior of the cooling insert 4, a blade cavity 6 is formed, which is connected in a conventional manner to the compressor of the gas turbine system, not shown, and is acted upon by this with cooling air serving as cooling fluid 7. The outer jacket 3 has an outer and an inner surface 8, 9, between which a plurality of rows of recesses 10 designed as cooling bores are arranged. The blade cavity 6 is connected to the cooling cavity 5 via a plurality of openings 11 arranged in the cooling insert 4 (FIG. 1). Of course, the guide vane 1 can also have only a single row of cooling bores 10.

Während des Betriebs der Gasturbinenanlage strömt Heissgas 12 aus der nicht dargestellten Brennkammer über die Leitschaufeln 1 und die ebenfalls nicht gezeigten Laufschaufeln der Gasturbine. Daher müssen diese ständig gekühlt werden. Die Kühlung der Leitschaufeln 1 erfolgt mittels der vom Verdichter herangeführten Kühlluft 7, wobei diese über die Öffnungen 11 des Kühleinsatzes 4 in den Kühlhohlraum 5 eindringt und zunächst die innere Oberfläche 9 des Aussenmantel 3 konvektiv kühlt. Anschliessend wird die Kühlluft 7 durch die Kühlbohrungen 10 in einer Vielzahl von Kühlluftstrahlen auf der äusseren Oberfläche 8 des Aussenmantels 3 ausgeblasen. Die Krümmung dieser Kühlluftstrahlen bei ihrem Austritt in die Hauptströmung des Heissgases 12 erfolgt in einem Austrittswinkel 13 von etwa 30°. Dabei werden im Mischungsbereich Sekundärströmungen erzeugt, die ein Wirbelpaar 14 mit einem rechtsund einem linksdrehenden Wirbel bilden. Dieser sogenannte Nierenwirbel 14 transportiert das Heissgas 12 direkt auf die äussere Oberfläche 8 der Leitschaufel 1 (Fig. 2). Um Schäden an der Leitschaufel 1 zu verhindern, muss jedoch ihr direkter Kontakt mit dem Heissgas 12 vermieden werden.During operation of the gas turbine system, hot gas 12 flows out of the combustion chamber (not shown) via the guide blades 1 and the rotor blades of the gas turbine, which are also not shown. Therefore, they have to be constantly cooled. The cooling of the guide vanes 1 takes place by means of the cooling air 7 brought in by the compressor, which penetrates into the cooling cavity 5 via the openings 11 of the cooling insert 4 and initially convectively cools the inner surface 9 of the outer casing 3. The cooling air 7 is then blown out through the cooling bores 10 in a plurality of cooling air jets on the outer surface 8 of the outer casing 3. The curvature of these cooling air jets when they exit into the main flow of hot gas 12 occurs at an exit angle 13 of approximately 30 °. Secondary flows are generated in the mixing area, which form a vortex pair 14 with a right and a left rotating vortex. This so-called kidney vertebra 14 transports the hot gas 12 directly onto the outer surface 8 of the guide vane 1 (FIG. 2). In order to prevent damage to the guide vane 1, however, its direct contact with the hot gas 12 must be avoided.

In Fig. 3 ist ein vergrösserter Ausschnitt einer erfindungsgemäss ausgebildeten Leitschaufel 1 dargestellt. Bei dieser Leitschaufel 1 ist stromauf jeder Reihe von Kühlbohrungen 10 eine strömungsgünstig ausgebildete, radiale Rippe 15 an der inneren Oberfläche 9 des Aussenmantels 3 angeordnet. Der Kühleinsatz 4 ist im Bereich der Kühlbohrungen 10 in Richtung des Aussenmantels 3 verformt und dabei zumindest annähernd parallel zum Eintrittswinkel 16 der Kühlluft 7 in die Kühlbohrungen 10 ausgebildet.3 shows an enlarged section of a guide vane 1 designed according to the invention. In this guide vane 1, a streamlined radial rib 15 is arranged on the inner surface 9 of the outer jacket 3 upstream of each row of cooling bores 10. The cooling insert 4 is deformed in the area of the cooling bores 10 in the direction of the outer casing 3 and at least approximately in the process formed parallel to the entry angle 16 of the cooling air 7 in the cooling bores 10.

Die Rippe 15 ist dabei um das 3fache des Durchmessers 17 der Kühlbohrung 10 von deren Eintrittsmittelpunkt 18 entfernt angeordnet. Bei einem Abstand vom Aussenmantel 3 zum Kühleinsatz 4, der dem doppelten Durchmesser 17 der Kühlbohrung 10 entspricht, ragt die Rippe 15 einen Durchmesser 17 der Kühlbohrung 10 in den Kühlhohlraum 5 hinein. Im Bereich der Kühlbohrung 10 ist der Kühleinsatz 4 so in Richtung des Aussenmantels 3 verformt, dass er den Kühlhohlraum 5 dort bis auf 30% seiner Normalgrösse verschliesst.The rib 15 is arranged three times the diameter 17 of the cooling bore 10 away from its entry center 18. At a distance from the outer jacket 3 to the cooling insert 4, which corresponds to twice the diameter 17 of the cooling bore 10, the rib 15 projects a diameter 17 of the cooling bore 10 into the cooling cavity 5. In the area of the cooling bore 10, the cooling insert 4 is deformed in the direction of the outer shell 3 in such a way that it closes the cooling cavity 5 there up to 30% of its normal size.

Aufgrund dieser Ausbildung wird die Kühlluft 7 bereits im Kühlhohlraum 5, d.h. im Bereich stromauf der jeweiligen Kühlbohrungen 10 in deren Richtung umgelenkt, womit Rezirkulationsgebiete in der Kühlbohrung 10 vermieden werden. Dadurch entsteht im Inneren der Kühlbohrungen 10 jeweils ein entgegengesetzt zu den Nierenwirbeln 14 ausgerichtetes Wirbelpaar 19. Das Rotationszentrum dieses sogenannten Innenwirbels 19 befindet sich nicht in der Mitte der Kühlbohrung 10, sondern im unteren Bereich des Kühlluftstrahles (Fig. 4).Due to this design, the cooling air 7 is already in the cooling cavity 5, i.e. deflected in the direction upstream of the respective cooling bores 10 in their direction, thus preventing recirculation areas in the cooling bore 10. This creates in the interior of the cooling bores 10 a pair of vertebrae 19 oriented opposite the kidney vertebrae 14. The center of rotation of this so-called inner vertebrae 19 is not in the center of the cooling bore 10, but in the lower region of the cooling air jet (FIG. 4).

Insbesondere die Ausbildung der Rippe 15 führt zu einer wesentlich stärkeren Umlenkung der Kühlluft 7 bei ihrem Eintritt in die Kühlbohrungen 10. Bisher war hier ein Umlenkung von etwa 30° üblich, während die Kühlluft 7 nunmehr in einem Winkel von bis zu 50° umgelenkt wird. Die verstärkte Umlenkung der Kühlluft 7 und die Verhinderung eines Rezirkulationsgebietes in den Kühlbohrungen 10 haben einen deutlich stabileren Innenwirbel 19 zur Folge. Damit bleibt dieser Innenwirbel 19 auch beim Austritt aus jeder der Kühlbohrungen 10 erhalten, während der unerwünschte Nierenwirbel 14 im oberen Bereich des Kühlluftstrahles schnell aufgelöst wird. Der Innenwirbel 19 sorgt nunmehr dafür, dass das Heissgas 12 gekühlt zur äusseren Oberfläche 8 des Aussenmantels 3 der Leitschaufel 1 geführt wird.In particular, the design of the rib 15 leads to a substantially greater deflection of the cooling air 7 when it enters the cooling bores 10. Previously, a deflection of approximately 30 ° was customary here, while the cooling air 7 is now deflected at an angle of up to 50 °. The increased deflection of the cooling air 7 and the prevention of a recirculation area in the cooling bores 10 result in a significantly more stable inner vortex 19. Thus, this inner vortex 19 is retained even when it exits from each of the cooling bores 10, while the undesired kidney vortex 14 is quickly dissolved in the upper region of the cooling air jet. The inner vortex 19 now ensures that the hot gas 12 is cooled is guided to the outer surface 8 of the outer shell 3 of the guide vane 1.

Im Kühlhohlraum 5 sind, stromab der Kühlbohrung 10 und in etwa mittig zwischen zwei benachbarten Kühlbohrungen 10, ein Abstandhalter 20 und ein Stift 21 angeordnet. Sowohl der Abstandhalter 20 als auch der Stift 21 sind mit der inneren Oberfläche 9 des Aussenmantels 3 verbunden, wobei der Abstandhalter 20 bis zum Kühleinsatz 4 reicht und der Stift 21 kürzer ausgebildet ist. Durch die mittige Anordnung von Abstandhalter 20 und Stift 21 zwischen zwei benachbarten Kühlbohrungen 10 wird auch in diesem, die geringste Kühlwirkung aufweisenden Bereich, d.h. bis ca. fünf Durchmesser 17 stromab des Austrittsmittelpunktes 22 der Kühlbohrung, ein ausreichender Wärmeabfluss vom Aussenmantel 3 zur Kühlluft 7 erreicht.A spacer 20 and a pin 21 are arranged in the cooling cavity 5, downstream of the cooling bore 10 and approximately centrally between two adjacent cooling bores 10. Both the spacer 20 and the pin 21 are connected to the inner surface 9 of the outer jacket 3, the spacer 20 extending to the cooling insert 4 and the pin 21 being shorter. Due to the central arrangement of spacer 20 and pin 21 between two adjacent cooling bores 10, the area with the lowest cooling effect, i.e. up to about five diameters 17 downstream of the outlet center point 22 of the cooling bore, sufficient heat flow from the outer jacket 3 to the cooling air 7 is achieved.

Eine solche Kühlkonfiguration ist natürlich nicht auf die Leitschaufeln 1 von Gasturbinen beschränkt. Sie kann ebenso bei Laufschaufeln, Brennkammerwänden, Wärmestausegmenten von Gasturbinen oder bei anderen, einseitig von Heissgas 12 umgebenen Wänden 3 eingesetzt werden.Such a cooling configuration is of course not restricted to the guide blades 1 of gas turbines. It can also be used in rotor blades, combustion chamber walls, heat accumulation segments of gas turbines or in other walls 3 surrounded on one side by hot gas 12.

BezugszeichenlisteReference list

11
Leitschaufelvane
22nd
HohlprofilkörperHollow profile body
33rd
Wand, AussenmantelWall, outer jacket
44th
KühleinsatzCooling insert
55
KühlhohlraumCooling cavity
66
SchaufelhohlraumBlade cavity
77
Kühlfluid, KühlluftCooling fluid, cooling air
88th
Oberfläche, äussereSurface, exterior
99
Oberfläche, innereSurface, inner
1010th
Ausnehmung, KühlbohrungRecess, cooling hole
1111
Öffnungopening
1212th
HeissgasHot gas
1313
Austrittswinkel, von 10Exit angle, from 10
1414
Wirbelpaar, NierenwirbelVertebrae pair, kidney vertebrae
1515
Ripperib
1616
Eintrittswinkel, von 10Entry angle, from 10
1717th
Durchmesser, von 10Diameter, from 10
1818th
Eintrittsmittelpunkt, von 10Entry center, from 10
1919th
Wirbelpaar, InnenwirbelPair of vertebrae, inner vertebrae
2020th
AbstandhalterSpacers
2121
Stiftpen
2222
Austrittsmittelpunkt, von 10Exit center, from 10

Claims (7)

Vorrichtung zur Kühlung einer einseitig von Heissgas umgebenen Wand, insbesondere des Hohlprofilkörpers einer Gasturbinenschaufel, bestehend aus der mit einer äusseren und einer inneren Oberfläche (8, 9) ausgestatteten Wand (3), einem im wesentlichen parallel zur Wand (3) angeordneten und gemeinsam mit dieser einen Kühlhohlraum (5) bildenden Kühleinsatz (4) sowie einer Reihe oder mehreren, in Strömungsrichtung eines Kühlfluids (7) hintereinander angeordneten, Reihen von zwischen den beiden Oberflächen (8, 9) der Wand (3) ausgebildeten Ausnehmungen (10), welche jeweils einen den vorgesehenen Einsatzbedingungen entsprechenden Eintritts- bzw. Austrittswinkel (16, 13) und einen Durchmesser (17) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf jeder Reihe von Ausnehmungen (10) eine radiale Rippe (15) an der inneren Oberfläche (9) der Wand (3) angeordnet, der Kühleinsatz (4) im Bereich der Ausnehmungen (10) in Richtung der Wand (3) verformt und dabei zumindest annähernd parallel zum Eintrittswinkel (16) der Ausnehmungen (10) ausgebildet ist.Device for cooling a wall surrounded on one side by hot gas, in particular the hollow profile body of a gas turbine blade, consisting of the wall (3) equipped with an outer and an inner surface (8, 9), a wall arranged essentially parallel to the wall (3) and together with this cooling cavity (5) forming cooling insert (4) and a row or more, one behind the other in the flow direction of a cooling fluid (7), rows of recesses (10) formed between the two surfaces (8, 9) of the wall (3), which each have an entry or exit angle (16, 13) and a diameter (17) corresponding to the intended operating conditions, characterized in that upstream of each row of recesses (10) there is a radial rib (15) on the inner surface (9) of the Wall (3) arranged, the cooling insert (4) in the region of the recesses (10) in the direction of the wall (3) deformed and at least approximately parallel to the entry angle (16) of the recesses (10). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (10) einen Eintrittsmittelpunkt (18) besitzen, von dem die Rippen (15) bis etwa zum 3fachen Durchmesser (17) der jeweiligen Ausnehmungen (10) entfernt angeordnet sind, die Rippen (15) ca. einen halben bis einen Durchmesser (17) der Ausnehmungen (10) in den Kühlhohlraum (5) hineinragen und der Kühleinsatz (4) den Kühlhohlraum (5) im Bereich der Ausnehmungen (10) bis auf maximal 30% des Normalabstandes von Wand (3) und Kühleinsatz (4) verschliesst.Device according to claim 1, characterized in that the recesses (10) have an entry center (18) from which the ribs (15) are arranged up to approximately three times the diameter (17) of the respective recesses (10), the ribs (15 ) project about a half to a diameter (17) of the recesses (10) into the cooling cavity (5) and the cooling insert (4) the cooling cavity (5) in the region of the recesses (10) up to a maximum of 30% of the normal distance from the wall (3) and cooling insert (4) closes. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass stromab der Ausnehmungen (10) jeweils zumindest ein Abstandhalter (20) und/oder zumindest ein Stift (21) im Kühlhohlraum (5) angeordnet und mit der inneren Oberfläche (9) der Wand (3) verbunden sind, wobei die Abstandhalter (20) bis zum Kühleinsatz (4) reichen und die Stifte (21) davor enden.Device according to claim 1 or 2, characterized in that at least one spacer (20) and / or at least one pin (21) is arranged downstream of the recesses (10) in the cooling cavity (5) and with the inner surface (9) of the wall ( 3) are connected, the spacers (20) reaching as far as the cooling insert (4) and the pins (21) ending in front of it. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Abstandhalter (20) als auch die Stifte (21) mittig zwischen zwei Reihen benachbarter Ausnehmungen (10) angeordnet sind.Device according to claim 3, characterized in that both the spacers (20) and the pins (21) are arranged centrally between two rows of adjacent recesses (10). Verfahren zur Kühlung einer einseitig von Heissgas umgebenen Wand, insbesondere des Hohlprofilkörpers einer Gasturbinenschaufel, bei dem ein Kühlfluid (7) zunächst in einen Kühlhohlraum (5) zwischen der zu kühlenden Wand (3) und einem Kühleinsatz (5) geführt und anschliessend über zumindest ein Reihe von Ausnehmungen (10) der Wand (3) ausgeblasen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlfluid (7) bereits vor Erreichen der Ausnehmungen (10) in deren Richtung umgelenkt wird.Method for cooling a wall surrounded by hot gas on one side, in particular the hollow profile body of a gas turbine blade, in which a cooling fluid (7) is first led into a cooling cavity (5) between the wall to be cooled (3) and a cooling insert (5) and then via at least one Row of recesses (10) of the wall (3) is blown out, characterized in that the cooling fluid (7) is deflected in its direction before the recesses (10) are reached. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Kühlfluids (7) an den weiter stromauf angeordneten Ausnehmungen (10) vorbeigeführt, dabei zunächst beschleunigt sowie gegen die innere Oberfläche (9) der Wand (3) ausgerichtet und erst danach zu den weiter stromab angeordneten Ausnehmungen (10) geleitet wird.A method according to claim 5, characterized in that a part of the cooling fluid (7) is guided past the recesses (10) arranged further upstream, initially accelerated and aligned with the inner surface (9) of the wall (3) and only then to the further ones downstream recesses (10) is passed. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlfluid (7) vor Erreichen der weiter stromab angeordneten Ausnehmungen (10) zunächst an im Kühlhohlraum (5) ausgebildeten Abstandhaltern (20) und/oder Stiften (21) vorbeigeleitet wird.Method according to Claim 6, characterized in that the cooling fluid (7) is first guided past spacers (20) and / or pins (21) formed in the cooling cavity (5) before the recesses (10) which are arranged further downstream are reached.
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