EP0851095A1 - Vorrichtung zum Kühlen einer Wand - Google Patents

Vorrichtung zum Kühlen einer Wand Download PDF

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EP0851095A1
EP0851095A1 EP97810917A EP97810917A EP0851095A1 EP 0851095 A1 EP0851095 A1 EP 0851095A1 EP 97810917 A EP97810917 A EP 97810917A EP 97810917 A EP97810917 A EP 97810917A EP 0851095 A1 EP0851095 A1 EP 0851095A1
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coolant
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narrow gap
cooled
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ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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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
    • F01D5/187—Convection cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/12—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
    • F28F1/124—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and being formed of pins
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/022—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being wires or pins
    • 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
    • F05D2260/221—Improvement of heat transfer

Definitions

  • the invention relates to a device for cooling a Wall, which is on the outside of a hot medium and a coolant flows around its inner wall.
  • Such walls to be cooled are, for example, the internally cooled ones Turbomachinery blades, especially those from axial flow gas turbines.
  • Hollow, internally cooled turbine blades with liquid, steam or air as a coolant are well known.
  • a problem provides in particular the cooling of the rear edge of such blades, which are in a closed circle from the coolant are flowed through.
  • the walls forming the rear edge include a narrow gap from which the heat is to be removed.
  • the narrow gap may have a minimal width Do not fall below the value.
  • To overheat the rear edge avoiding large amounts of material to be available.
  • the wall thickness is allowed For reasons of strength, do not fall below a certain level.
  • the invention has for its object on a cooled Wall to create a device that dissipates heat especially improved from a narrow gap.
  • the advantages of the invention include simplicity to see the measure. Is it the one to be cooled? Wall around a cast turbine blade, so the Pins are shed together with the shovel. The measure also allows an efficient training of Blade trailing edge.
  • the cast blade shown in Fig. 1 has three Inner chambers a, b, and c, which are surrounded by a coolant, for example steam, flows perpendicular to the plane of the drawing are. In doing so, the inside of the blade contour forming wall W - the outside on both sides of hot Gases flows around - flows around the coolant and give their Heat to the coolant. It is understood that at least numerous, not shown, in the two front chambers a, b Aids such as guide ribs, flow channels, inserts for Impingement cooling and the like to improve wall cooling can be provided.
  • the coolant circulates in a closed circle, which means that neither on the front edge, the suction side, the pressure side nor blowing out coolant in the area of the rear edge the flow channel takes place.
  • the gap E formed by the walls must have a minimum size in order to be able to absorb sufficient coolant to dissipate the heat generated.
  • the inner edge rounding must therefore be designed with the diameter d.
  • a minimum wall thickness T cannot be undershot.
  • the dimension L a therefore generally corresponds to the wall thickness T. All of this means that the outer edge rounding must be carried out with a relatively large diameter D a . So far, cooled trailing edges are known.
  • the invention seeks to remedy this. 3 are used for better heat dissipation in the coolant flowed around the wall thermal bridges in the form of pins S arranged. These pins are attached so that they fit into the space exposed to the coolant, i.e. in the narrow gap E protrude into it.
  • Pins are used to ensure the desired heat dissipation to choose with high thermal conductivity.
  • This offers itself synthetic diamond as a suitable material.
  • a synthetic diamond from C-14 isotopes has been shown.
  • the pins S are cylindrical. It it goes without saying that other geometries, the larger exchange areas have, are possible, for example pens, which have a polygonal shape or toothed in cross section are.

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Abstract

Eine zu kühlende Wand (W) ist an ihrer Ausssenseite von einem heissen Medium und an ihrer Innenwand von einem Kühlmittel umströmt. Eine Vorrichtung zum Kühlen zeichnet sich dadurch aus, dass in der vom Kühlmittel umströmten Wandung thermische Brücken in Form von hochschmelzenden Stiften (S) mit hoher Wärmeleitfähigkeit angeordnet sind. Diese ragen in den vom Kühlmittel beaufschlagten Raum (E) hinein. Die Stifte (S) bestehen vorzugsweise aus synthetischem Diamant aus C-14 Isotopen und sind mit der Wand (W) zusammen vergossen. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen einer Wand, welche an ihrer Ausssenseite von einem heissen Medium und an ihrer Innenwand von einem Kühlmittel umströmt ist.
Derartige zu kühlende Wände sind beispielsweise die innengekühlten Schaufeln von Turbomaschinen, besonders jene von axialdurchströmten Gasturbinen.
Stand der Technik
Hohle, innengekühlte Turbinenschaufeln mit Flüssigkeit, Dampf oder Luft als Kühlmittel sind hinlänglich bekannt. Ein Problem stellt insbesondere die Kühlung der Hinterkante von solchen Schaufeln dar, die im gechlossenen Kreis vom Kühlmittel durchströmt sind. Die die Hinterkante bildenden Wandungen umfassen einen Engspalt, aus dem die Wärme abzuführen ist. Hierzu darf der Engspalt in seiner Breite einen minimalen Wert nicht unterschreiten. Um eine Überhitzung der Hinterkante zu vermeiden, darf auch keine grossen Materialansamlungen vorhanden sein. Darüberhinaus darf die Wandstärke aus Festigkeitsgründen ein bestimmtes Mass nicht ünterschreiten. Diese Vorgaben führen dazu, dass innengekühlte Schaufeln mit grossen Rundungsradien an der Hinterkante versehen sind, was sich ungünstig auf den Schaufelwirkungsgrad auswirkt.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, an einer gekühlten Wand eine Vorrichtung zu schaffen, die die Wärmeableitung insbesondere aus einem Engspalt verbessert.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass in der vom Kühlmittel umströmten Wandung thermische Brücken in Form von hochschmelzenden Stiften mit hoher Wärmeleitfähigkeit angeordnet sind, welche in den vom Kühlmittel beaufschlagten Raum hineinragen.
Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem in der Einfachheit der Massnahme zu sehen. Handelt es sich bei der zu kühlenden Wand um eine gegossene Turbinenschaufel, so können die Stifte zusammen mit der Schaufel vergossen werden. Die Massnahme erlaubt zudem eine wirkungsgradgünstige Ausbildung der Schaufelhinterkante.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer innengekühlten Gasturbinenschaufel dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1
eine Schaufel im Querschnitt;
Fig. 2
das Detail z aus Fig. 1 mit einer zum Stand der Technik zählenden Hinterkante;
Fig. 3
das Detail z aus Fig. 1 mit einer erfindungsgemässen Hinterkante;
Fig. 4
einen Längsschnitt durch den Hinterkantenbereich einer Schaufel.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der beteiligten Medien ist mit Pfeilen bezeichnet. Weg zur Ausführung der Erfindung
Die in Fig. 1 dargestellte, gegossene Schaufel weist drei Innenkammern a, b, und c auf, die von einem Kühlmittel, beispielsweise Dampf, senkrecht zur Zeichnungsebene durchströmt sind. Dabei werden die Innenseiten der die Schaufelkontur bildenden Wand W - die aussen beidseitig von heissen Gasen umströmt ist - vom Kühlmittel umströmt und geben ihre Wärme an das Kühlmittel ab. Es versteht sich, dass zumindest in den zwei vorderen Kammern a, b zahlreiche nicht gezeigte Hilfsmittel wie Leitrippen, Strömungskanäle, Einsätze für Prallkühlung und dergleichen zur Verbesserung der Wandkühlung vorgesehen sein können. Im Beispielsfall zirkuliert das Kühlmittel im geschlossenen Kreis, worunter verstanden wird, dass weder an der Vorderkante, der Saugseite, der Druckseite noch im Bereich der Hinterkante ein Ausblasen von Kühlmittel in den Strömungskanal erfolgt.
Hieraus ergibt sich die Problematik mit der Hinterkantengeometrie, welche anhand der Fig. 2 erläutert ist. Der von den Wänden gebildete Enspalt E muss eine minimale Grösse haben, um genügend Kühlmittel zur Abfuhr der anfallenden Wärme aufnehmen zu können. Die innere Kantenabrundung ist deshalb mit dem Durchmesser d auszubilden. Aus Festigkeitsgründen kann eine minimale Wandstärke T nicht unterschritten werden. Um eine Überhitzung der Hinterkante zu vermeiden, darf es dort zu keiner grossen Materialansammlung kommen. Das Mass La entspricht demnach in der Regel der Wandstärke T. All dies führt dazu, dass die äussere Kantenabrundung mit einem relativ grossen Durchmesser Da auszuführen ist. Soweit sind gekühlte Hinterkanten bekannt.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Gemäss Fig. 3 werden zur besseren Wärmeabfuhr in der vom Kühlmittel umströmten Wandung thermische Brücken in Form von Stiften S angeordnet. Diese Stifte sind so angebracht, dass sie in den vom Kühlmittel beaufschlagten Raum, d.h in den Engspalt E hineinragen.
Aus Herstellungsgründen handelt es sich bei den thermischen Brücken um hochschmelzendes Material. Da solche innengekühlten Schaufeln in der Regel gegossen sind, bietet es sich an, die Stifte vorab in den Giesskernen anzuordnen und sie mit der Schaufel integral zu vergiessen. Dies hat den Vorteil, dass in diesem Bereich auf die üblichen Distanzstücke in Form von Quarz- oder Aluminidstreben verzichtet werden kann.
Aus der Fig. 3 ist ersichtlich, dass - bei gleichbleibender Wandstärke T und gleichbleibender innerer Kantenabrundung d - auf diese Weise eine grössere Materialansammlung mit dem Mass Ln an der Hinterkante ermöglicht wird. Dies erlaubt wiederum die Ausbildung einer wesentlich schärferen Hinterkante, was sich durch den kleineren Durchmesser Dn der Kantenabrundung auszeichnet.
Um die gewünschte Wärmeabfuhr zu gewährleisten, sind Stifte mit hoher Wärmeleitfähigkeit zu wählen. Hierzu bietet sich als geeignetes Material synthetischer Diamant an. Als ganz besonders vorteilhaft hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit hat sich ein synthetischer Diamant aus C-14 Isotopen gezeigt.
Im Beispielsfall sind die Stifte S zylindrisch ausgeführt. Es versteht sich, dass auch andere Geometrien, die grössere Austauschflächen aufweisen, möglich sind, beispielsweise Stifte, die im Querschnitt eine Vieleckform aufweisen oder gezahnt sind.
Bei gegebenen Bedingungen - d.h. Geometrie und Wandstärke der Hinterkante; Geometrie des vom Kühlmittel zu durchströmenden Engspaltes E; Wärmebelastung der Schaufelhinterkante; Art, Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels - sind die Wärmeleitfähigkeit des gewählten Stiftmaterials sowie die in den durchströmten Engspalt hineinragenden Austauschflächen massgebend für die Anzahl der zu verwendenden Stifte über der Schaufelhöhe.
Gemäss Fig. 4 ist in einem Längsschnitt durch die hintere Kammer c eine solche gestaffelte regelmässige Anordnung von Stiften in der Radialen über der Schaufelhöhe gezeigt. Je nach Wärmebelastung über der Schaufelhöhe kann selbstverständlich auch eine ungleiche Teilung zur Anwendung gelangen oder bei gleicher Teilung können Stifte mit unterschiedlichen Wärmetauschflächen vorgesehen werden.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Beispiel beschränkt ist. In Abweichung zur gezeigten Hinterkantenkühlung könnten selbstvertändlich auch andere Schaufelpartien auf die neue Art gekühlt werden und zwar überall dort, wo sich Probleme mit grossen Materialansammlungen stellen, von denen Wärme abzuführen ist, z.B. im Bereich der Schaufelfüsse oder der Schaufelspitzen. Im übrigen ist die Erfindung keineswegs auf Schaufeln oder Engspalte beschränkt, sondern kann bei allen umströmten und zu kühlenden Elementen angewendet werden,
Bezugszeichenliste
a,b,c
Innenkammern derSchaufel
W
zu kühlende Wand
E
Engspalt
L
Länge der Materialansammlung
T
Wandstärke
d
innere Kantenabrundung
D
äusseere Kantenabrundung
S
Kühlstift

Claims (6)

  1. Vorrichtung zum Kühlen einer Wand (W), welche an ihrer Ausssenseite von einem heissen Medium und an ihrer Innenwand von einem Kühlmittel umströmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der vom Kühlmittel umströmten Wandung thermische Brücken in Form von hochschmelzenden Stiften (S) mit hoher Wärmeleitfähigkeit angeordnet sind, welche in den vom Kühlmittel beaufschlagten Raum (E) hineinragen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte (S) aus synthetischem Diamant aus C-14 Isotopen bestehen.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte (S) mit der Wand (W) zusammen vergossen sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Kühlmittel beaufschlagte Raum ein geschlossener Engspalt (E) ist, der zumindest teilweise von der zu kühlenden Wand (W) selbst gebildet ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Engspalt (E) von der Hinterkante einer innengekühlten Turbomaschinenschaufel gebildet ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Engspalt (E) sich zumindest annähernd über die ganze Höhe der Turbomaschinenschaufel erstreckt und dass eine Mehrzahl von Stiften über der Höhe verteilt angeordnet ist.
EP97810917A 1996-12-23 1997-11-27 Innengekühlte Turbomaschinenschaufel Expired - Lifetime EP0851095B1 (de)

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