EP0945201A1 - Method for producing a core for a cooling channel in a casting - Google Patents
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- EP0945201A1 EP0945201A1 EP98810250A EP98810250A EP0945201A1 EP 0945201 A1 EP0945201 A1 EP 0945201A1 EP 98810250 A EP98810250 A EP 98810250A EP 98810250 A EP98810250 A EP 98810250A EP 0945201 A1 EP0945201 A1 EP 0945201A1
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- B22C9/22—Moulds for peculiarly-shaped castings
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Definitions
- the invention relates to a method for producing a cast core, the to form a cavity provided for cooling purposes within a casting is used, through which a cooling medium is conductive and the cavity create enclosing surface areas via predeterminable heat transfer blessings between the coolant and the casting.
- Casting cores are molded parts provided in a mold, which are placed in the mold Displace cast, solidifiable material and in this way in the cast End product, the casting form cavities.
- end products concern
- turbine blades which are very common in a gas turbine system exposed to high temperatures.
- these are provided with internal cooling channels in a manner known per se, a cooling medium, preferably cooling air or water vapor, for cooling purposes, is directed.
- a cooling medium preferably cooling air or water vapor, for cooling purposes
- combustion chamber walls targeted cooling and to provide them with cooling channels accordingly.
- a major advantage of rough surfaces in terms of a desired increase in the heat transfer from a heated component to a cooling medium compared to the previously known measures of using ribs and pins or similar heat transfer-increasing internals lies essentially in the significantly lower pressure loss that occurs when flowing through of the cooling medium through a roughened "cooling channel.
- the ordinate of the diagram shown in FIG. 1 shows the drag coefficient f that a flow has when flowing through a flow channel as a function of the Reynolds numbers Re plotted on the abscissa of the diagram.
- the graphs a to e entered in the diagram represent flow situations for different types of fins, in which a flow flows through a flow channel provided with fins.
- the solid line corresponds to the flow of a flow channel with a smooth surface.
- the dashed line plotted immediately above the solid line represents a flow case in which the flow channel has a roughened surface with a roughness ratio R / k S of 60.
- R here means the hydraulic radius of the flow channel and k S corresponds to the size of the equivalent sand grain roughness the surface.
- the ratio R / k S of 60 corresponds to a roughness increase of approx. 80 ⁇ m.
- FIG. 2 shows a diagram showing the thermal power "of turbulators, such as fins, in contrast to a roughened surface.
- the values plotted on the ordinate of the diagram in FIG. 2 G ( St / St 0 ) / ( f / f 0 ) 1 3rd show the relative increase in heat transfer for the same pumping power in the system. These values therefore give the Thermal performance "of the system (the fins) and thus their relative quality compared to the smooth channel.
- the molded parts equipped with cooling channels are preferably produced using a casting process manufactured and serve, for example, as to be subjected to heat Assemblies of gas turbine plants.
- the cooling channels some of which are very delicate, for example within a turbine blade, are after completion of the Turbine blade from outside difficult or not at all for local reworking accessible. Solutions have to be found with which one desired surface roughness, the surface quality of which determined Roughness values must correspond to can be obtained. Because the concerned End products have to be manufactured as part of a casting process the desired surface roughness can be found before or during the casting process or during cooling of the cast end product to obtain.
- the invention is therefore based on the object of taking measures that a desired surface roughness during the casting process Can produce end product.
- a desired surface roughness during the casting process Can produce end product.
- inaccessible Cavities within the end product, which are preferably designed as cooling channels are already over a desired surface roughness without post-treatment steps feature.
- the invention is based on the idea of producing the casting process Voids within the casting cores to be provided within the final product to be manufactured to be covered with an artificial roughness that occurs during the casting process transfers to the surface of the end product to be produced, preferably on those surface areas that enclose a cavity that in the finished Casting forms a cooling channel.
- the formation of a cavity within of the finished product provided by prior processing on its Surface can be roughened.
- the one transferred to the surface of the cast core The degree of roughness can be applied, for example, using a core tool.
- the surface of the core tool is eroded to a desired level using spark erosion Measure roughened.
- the degree to be applied to the core tool Roughness can be caused by the electrical voltage to be applied to the spark electrode and / or by choosing a distance between the spark electrode and the surface to be roughened Core tool can be set specifically.
- the surface roughness applied in this way to the surface of the cutting tool is transferred as part of the manufacturing process for the casting core on the casting core and then during the casting process and the subsequent cooling of the end product to the corresponding inner surface contour of the end product.
- Cast cores are usually made from a moldable mass that must be fired to harden. Shaped cast cores are considered as before firing green cores "and can be roughened to bring about a surface roughness in this or in the fired state by means of sandblasting or targeted further roughening techniques, such as grinding and emery processes.
- the casting core can also be used as a green core with the help of a cold or heated one Tool that has a defined roughness structure by ordinary Pressing the surface of the cast core to be roughened.
- the surface roughness should be adjusted so that it meets the following flow conditions, that prevail within the cooling channel and the desired Heat transfer coefficient is adjusted.
- the associated roughness variable R / k S can be read from the diagram according to FIG. 3 (referred to below) and used for the production of the core tool.
- the diagram in FIG. 3 shows the dependence of the resistance coefficient f on the Reynolds number Re for different roughness heights k s / 2R.
- the smooth channel has a very small roughness, typically with a roughness Reynolds number Re k ⁇ 5. This relationship is also known from the books by Hays + Crawford, Convectiv Heat and Mass Transfer ", Mc Graw Hill Inc., ISBN 0-07-033721-7, 1993 or O. Tietjens, Fluid Mechanics, Part 2 ", Springer Verlag, 1970.
- the curves entered in FIG. 3 each assume a constant value for the resistance number f for different values of the roughness height k s / 2R, provided that they are to the right of this line in the diagram.
- the resistance coefficient f increases by about 33%.
- FIGS. 5 are cross sections through a cooling wall surface in the partial figures a and b 3 shown, which is each provided with ribs.
- two ribs 1, 2 stand vertically above the cooling wall surface 3 and for the cooling flow KS flowing over the fins 1, 2 represents a resistance.
- the flow KS passing through the cooling channel is from each rib train detached from the wall 3, behind each rib train in the flow direction Form leewer vortex 4 and in the direction of flow in front of each rib line accumulation vortex 5.
- FIGS. 4a and 4b show that the length L of the separation area, in which the flow is spaced from the cooling wall after each rib pull, is shortened by the wall roughness. This means that in roughened case "the ribs can be brought closer together and thus the heat load per length of the component can be increased.
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Gußkernes, der zur Bildung eines zu Kühlzwecken vorgesehenen Hohlraumes innerhalb eines Gußteils verwendet wird, durch den ein Kühlmedium leitbar ist und deren den Hohlraum einschließende Oberflächenbereiche über vorgebbare Wärmeübergangsegenschaffen zwischen Kühlmedium und Gußteil verfügen.The invention relates to a method for producing a cast core, the to form a cavity provided for cooling purposes within a casting is used, through which a cooling medium is conductive and the cavity create enclosing surface areas via predeterminable heat transfer blessings between the coolant and the casting.
Gußkerne sind in einer Gießform vorgesehene Formteile, die das in die Gießform eingegossene, erstarrungsfähige Material verdrängen und auf diese Weise im gegossenen Endprodukt, dem Gußteil Hohlräume bilden. Von besonderem Interesse ist die Herstellung von wärmeausgesetzten Produkten, die als Gußteile mit Hilfe der vorstehend bezeichneten Gußkerne gewonnen werden. Derartige Endprodukte betreffen beispielsweise Turbinenschaufeln, die den in einer Gasturbinenanlage sehr hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Zur Erhöhung der Lebensdauer der Turbinenschaufeln werden diese in an sich bekannter Weise mit inneren Kühlkanälen versehen, durch die zu Kühlzwecken ein Kühlmedium, vorzugsweise Kühlluft oder Wasserdampf, geleitet wird. Durch die Kühlung mittels ständiger Wärmeabführung wird das Material der Turbinenschaufeln nicht auf die tatsächlich vorherrschenden Temperaturen aufgeheizt, wodurch das Material geschont und dessen Lebensdauer erheblich verlängert werden kann. Casting cores are molded parts provided in a mold, which are placed in the mold Displace cast, solidifiable material and in this way in the cast End product, the casting form cavities. Is of particular interest the production of heat-exposed products, which are castings using the above-mentioned casting cores can be obtained. Such end products concern For example, turbine blades, which are very common in a gas turbine system exposed to high temperatures. To increase the lifespan of the turbine blades these are provided with internal cooling channels in a manner known per se, a cooling medium, preferably cooling air or water vapor, for cooling purposes, is directed. By cooling by means of constant heat dissipation the material of the turbine blades does not match the actual prevailing temperatures heated up, which protects the material and significantly increases its service life can be extended.
Auch im Bereich der in einer Gasturbinenanlage vorgesehenen Brennkammer ist es aus Gründen von materialerhaltenden Gesichtspunkten erforderlich, die Brennkammerwände gezielt zu kühlen und diese entsprechend mit Kühlkanälen zu versehen.It is also in the area of the combustion chamber provided in a gas turbine system necessary for reasons of material conservation, the combustion chamber walls targeted cooling and to provide them with cooling channels accordingly.
Bei der Kühlung von Turbinenschaufeln als auch bei der Kühlung von Brennkammerwänden tritt das Problem auf, daß der von außen auf die Bauteile gerichtete Wärmestrom möglichst effizient an das in den Kühlkanälen durchströmende Kühlfluid abgeführt werden soll. Aus diesem Grunde sollten die an dem Wärmeübergang beteiligten Wandflächen der Kühlkanäle möglichst hohe interne Wärmeübergangszahlen aufweisen. Zu diesem Zweck bedient man sich vorwiegend unterschiedlicher Anfachungsmechanismen, wie beispielsweise das Vorsehen von Rippen oder Pins zur Vergrößerung der lokalen Oberfläche über die der Wärmestrom an das Kühlfluid abgeführt wird.For cooling turbine blades as well as for cooling combustion chamber walls the problem arises that the externally directed at the components Heat flow as efficiently as possible to the cooling fluid flowing through the cooling channels to be dissipated. For this reason, those involved in the heat transfer should Wall areas of the cooling channels internal heat transfer numbers as high as possible exhibit. For this purpose, one uses predominantly different Fanning mechanisms, such as the provision of ribs or pins to increase the local surface over which the heat flow to the cooling fluid is dissipated.
Ferner ist es allgemein bekannt, daß rauhe Oberflächen einen höheren Wärmeübergang liefern als glatte Oberflächen. Dieser Effekt ist insbesondere abhängig von dem Verhältnis der Rauhigkeitshöhe bezogen auf den hydraulischen Durchmesser des Kühlkanals als auch von dem Verhältnis der lokalen Rauhigkeitshöhe bezogen auf die Dicke der laminaren Unterschicht der Strömungs- und Temperaturgrenzschicht, die sich beim Durchströmen eines Kühlfluids durch einen Kühlkanal einstellt. Rauhigkeitserhebungen an der Oberfläche eines Kühlkanals haben jedoch erst dann einen Einfluß auf eine Erhöhung des Wärmeübergangs, sofern sie die laminare Unterschicht in ihrer Höhe überragen.Furthermore, it is generally known that rough surfaces have a higher heat transfer deliver as smooth surfaces. This effect is particularly dependent on that Ratio of the roughness height based on the hydraulic diameter of the Cooling channel as well as the ratio of the local roughness level based on the thickness of the laminar lower layer of the flow and temperature boundary layer, which occurs when a cooling fluid flows through a cooling channel. Roughness surveys only then have one on the surface of a cooling channel Influence on an increase in heat transfer, provided that the laminar underlayer tower in height.
Ein großer Vorteil von rauhen Oberflächen hinsichtlich einer gewünschten Erhöhung
des Wärmeübergangs von einem erwärmten Bauteil auf ein Kühlmedium im Vergleich
zu den vorstehend bekannten Maßnahmen der Verwendung von Rippen und
Pins oder ähnlichen wärmeübergangserhöhenden Einbauten, liegt im wesentlichen in
dem deutlich niedrigeren Druckverlust, der sich beim Durchströmen des Kühlmediums
durch einen 
Dieser Zusammenhang soll anhand von Fig. 1 näher erläutert werden. Auf der Ordinate des in Fig. 1 dargestellten Diagramms ist der Widerstandsbeiwert f aufgetragen, den eine Strömung beim Durchströmen durch einen Strömungskanal in Abhängigkeit der auf der Abszisse des Diagramms aufgetragenen Reynolds-Zahlen Re aufweist. Die in das Diagramm eingetragenen Graphen a bis e stellen Strömungssituationen für verschiedene Rippenarten dar, in denen eine Strömung durch einen mit Rippenzügen versehenen Strömungskanal durchströmt. Die durchgezogene Linie entspricht dem Strömungsfall eines Durchströmungskanals mit glatter Oberfläche. Die unmittelbar oberhalb der durchgezogenen Linie aufgetragene strichlierte Linie stellt einen Strömungsfall dar, bei dem der Durchströmungskanal eine aufgerauhte Oberfläche aufweist, mit einem Rauhigkeitsverhältnis R/kS von 60. R bedeutet hierbei den hydraulischen Radius des Strömungskanals und kS entspricht der Größe der äquivalenten Sandkornrauhigkeit der Oberfläche. Für einen Durchströmungskanal mit einem Durchmesser von 10 mm entspricht das Verhältnis R/kS von 60 einer Rauhigkeitserhebung von ca. 80 µm. Anhand der in dem Diagramm der Figur 1 eingetragenen Funktionsverläufe kann deutlich gesehen werden, daß die rauhe Wand einen nur ungefähr 50% höheren Widerstand und somit Druckverlust aufweist, als ein glatt ausgebildeter Durchströmungskanal, aber einen beträchtlichen niedrigeren Druckverlust bzw. Widerstand aufweist, wie die berippten Strömungskanäle der Fälle a bis e.This relationship will be explained in more detail with reference to FIG. 1. The ordinate of the diagram shown in FIG. 1 shows the drag coefficient f that a flow has when flowing through a flow channel as a function of the Reynolds numbers Re plotted on the abscissa of the diagram. The graphs a to e entered in the diagram represent flow situations for different types of fins, in which a flow flows through a flow channel provided with fins. The solid line corresponds to the flow of a flow channel with a smooth surface. The dashed line plotted immediately above the solid line represents a flow case in which the flow channel has a roughened surface with a roughness ratio R / k S of 60. R here means the hydraulic radius of the flow channel and k S corresponds to the size of the equivalent sand grain roughness the surface. For a flow channel with a diameter of 10 mm, the ratio R / k S of 60 corresponds to a roughness increase of approx. 80 µm. On the basis of the functional curves plotted in the diagram in FIG. 1, it can clearly be seen that the rough wall has only about 50% higher resistance and thus pressure loss than a smooth flow channel, but has a considerably lower pressure loss or resistance, such as the ribbed ones Flow channels of cases a to e.
Ein weiterer Aspekt, der für die Verwendung aufgerauhter Oberflächen in Kühlkanälen
spricht, kann anhand der Figur 2 verdeutlicht werden, die ein Diagramm zeigt,
das die
Auf der Abszisse des Diagramms sind in aufsteigender Reihenfolge Reynoldszahlen Re des Kühlmediums innerhalb des Strömungskanals aufgetragen. Die Funktionsverläufe a bis e stellen die Güte verschiedener Rippenanordnungen innerhalb des Strömungskanals unter der Vorgabe einer konstanten zur Verfügung stehenden Pumpleistung dar. Deutlich zu erkennen ist die stete Abnahme der Güte G für verschiedene Rippenkonfigurationen mit steigenden Reynoldszahlen. Die strichlierte Linienführung stellt hingegen den Fall einer aufgerauhten Oberfläche innerhalb eines Kühlkanals dar, die im Gegensatz zu den vorstehenden Funktionsverläufen eine mit steigenden Reynoldszahlen ansteigende Kurve aufweist. Bereits bei Reynoldszahlen von ungefähr 100.000 weist die rauhe Wand bessere Wärmeübergangseigenschaften auf, als zwei bekannte, verschiedene Rippentypen. Extrapoliert man den Funktionsverlauf der rauhen Oberfläche zu noch höheren Reynoldszahlen, wie man sie beispielsweise bei Brennkammerkühlungen vorfindet, so ist die rauhe Oberfläche innerhalb von Kühlkanälen die beste Lösung, falls die Aufgabe lautet mit einer gegebenen Pumpleistung die maximale Erhöhung im Wärmeübergang zu erhalten.On the abscissa of the diagram are Reynolds numbers in ascending order Re of the cooling medium applied within the flow channel. The course of functions a to e represent the quality of various rib arrangements within the Flow channel under the specification of a constant available Pump power. The constant decrease in the quality G for various can be clearly seen Rib configurations with increasing Reynolds numbers. The dashed In contrast, lines represent the case of a roughened surface within a Cooling channel, which, in contrast to the above functional profiles, a increasing Reynolds numbers has increasing curve. Already with Reynolds numbers of roughly 100,000, the rough wall has better heat transfer properties on, known as two different types of ribs. If you extrapolate the course of the function the rough surface to even higher Reynolds numbers, how to get them found in combustion chamber cooling, for example, is the rough surface the best solution within cooling channels, if the task is with a given one Pump power to get the maximum increase in heat transfer.
Dies liegt insbesondere daran, daß für sehr große Reynoldszahlen nur noch die Bedingungen in unmittelbarer Wandnähe von Bedeutung sind und die aufgebrachte Form der Turbulatoren lediglich die Außenströmung versperrt und damit den Druckverlust erhöht, jedoch nicht mehr zur Intensivierung der Wärmeübertragung an der Wand beiträgt.This is due in particular to the fact that for very large Reynolds numbers only the conditions are left are important in the immediate vicinity of the wall and the applied The shape of the turbulators only blocks the outside flow and thus the pressure loss increased, but no longer to intensify the heat transfer at the Contributes to the wall.
Auf der Grundlage der vorstehenden Ausführungen über die Bedeutung eines gezielten Einbringens von Oberflächenrauhigkeiten in Kühlkanäle sollen Möglichkeiten der Herstellung gezielter Oberflächenrauhigkeiten insbesondere in Kühlkanälen angegeben werden.Based on the foregoing on the importance of a targeted Introducing surface roughness into cooling channels is intended to provide opportunities the production of targeted surface roughness, in particular in cooling channels become.
Die mit Kühlkanälen ausgestatteten Formteile werden vorzugsweise mittels Gießverfahren hergestellt und dienen beispielsweise als mit Hitze zu beaufschlagende Baugruppen von Gasturbinenanlagen. Die zum Teil sehr filigran ausgestalteten Kühlkanäle, beispielsweise innerhalb einer Turbinenschaufel, sind nach Fertigstellung der Turbinenschaufel von außen nur schwer oder überhaupt nicht für eine lokale Nachbearbeitung zugänglich. Es müssen Lösungswege gefunden werden, mit denen eine gewünschte Oberflächenrauhigkeit, deren Oberflächenbeschaffenheit bestimmten Rauhigkeitswerten entsprechen müssen, erhalten werden können. Da die betreffenden Endprodukte im Rahmen eines Gießprozesses hergestellt werden, müssen Wege gefunden werden, die gewünschte Oberflächenrauhigkeit bereits vor oder während des Gießverfahrens bzw. während des Erkaltens des gegossenen Endproduktes zu erhalten.The molded parts equipped with cooling channels are preferably produced using a casting process manufactured and serve, for example, as to be subjected to heat Assemblies of gas turbine plants. The cooling channels, some of which are very delicate, for example within a turbine blade, are after completion of the Turbine blade from outside difficult or not at all for local reworking accessible. Solutions have to be found with which one desired surface roughness, the surface quality of which determined Roughness values must correspond to can be obtained. Because the concerned End products have to be manufactured as part of a casting process the desired surface roughness can be found before or during the casting process or during cooling of the cast end product to obtain.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zu treffen, daß sich bereits während des Gießvorganges eine gewünschte Oberflächenrauhigkeit beim Endprodukt herstellen läßt. Insbesondere soll erreicht werden, daß unzugängliche Hohlräume innerhalb des Endproduktes, die vorzugsweise als Kühlkanäle ausgebildet sind, ohne Nachbehandlungsschritte bereits über eine gewünschte Oberflächenrauhigkeit verfügen.The invention is therefore based on the object of taking measures that a desired surface roughness during the casting process Can produce end product. In particular, it should be achieved that inaccessible Cavities within the end product, which are preferably designed as cooling channels are already over a desired surface roughness without post-treatment steps feature.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.
Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand
der Unteransprüche.The solution to the problem on which the invention is based is specified in
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die für den Gießvorgang zur Erzeugung von Hohlräumen innerhalb des zu fertigenden Endproduktes vorzusehenden Gußkerne mit einer künstlichen Rauhigkeit zu überziehen, die sich während des Gießvorganges auf die Oberfläche des herzustellenden Endproduktes überträgt, vorzugsweise auf jene Oberflächenbereiche die einen Hohlraum umschließen, der im fertiggestellten Gußteil einen Kühlkanal bildet. The invention is based on the idea of producing the casting process Voids within the casting cores to be provided within the final product to be manufactured to be covered with an artificial roughness that occurs during the casting process transfers to the surface of the end product to be produced, preferably on those surface areas that enclose a cavity that in the finished Casting forms a cooling channel.
Vorzugsweise ist erkannt worden, daß der für die Bildung eines Hohlraumes innerhalb des Endproduktes vorgesehene Gußkern durch vorherige Bearbeitung an seiner Oberfläche aufgerauht werden kann. Der auf die Oberfläche des Gußkerns übertragene Rauheitsgrad kann bspw. mittels eines Kernwerkzeuges aufgebracht werden. Hierzu wird die Oberfläche des Kernwerkzeuges mittels Funkenerosion auf ein gewünschtes Maß aufgerauht. Den Grad der auf das Kernwerkzeug aufzubringenden Rauhigkeit kann durch die an die Funkenelektrode anzulegende elektrische Spannung und/oder durch Abstandswahl zwischen Funkenelektrode und aufzurauhendem Kernwerkzeug gezielt eingestellt werden.It has preferably been recognized that the formation of a cavity within of the finished product provided by prior processing on its Surface can be roughened. The one transferred to the surface of the cast core The degree of roughness can be applied, for example, using a core tool. For this purpose, the surface of the core tool is eroded to a desired level using spark erosion Measure roughened. The degree to be applied to the core tool Roughness can be caused by the electrical voltage to be applied to the spark electrode and / or by choosing a distance between the spark electrode and the surface to be roughened Core tool can be set specifically.
Die auf diese Weise auf die Oberfläche des Kerwerkzeuges aufgebrachte Oberflächenrauhigkeit überträgt sich im Rahmen des Herstellungsprozesses für den Gußkern auf den Gußkern und anschließend während des Gießprozesses sowie des nachfolgenden Erkaltens des Endproduktes auf die entsprechende innere Oberflächenkontur des Endproduktes.The surface roughness applied in this way to the surface of the cutting tool is transferred as part of the manufacturing process for the casting core on the casting core and then during the casting process and the subsequent cooling of the end product to the corresponding inner surface contour of the end product.
Gußkerne werden für gewöhnlich aus einer modellierbaren Masse hergestellt, die
zum Aushärten gebrannt werden müssen. Geformte Gußkerne werden vor dem
Brennen als
Ebenso kann der Gußkern als grüner Kern mit Hilfe eines kalten oder erwärmten Werkzeuges, das über eine definierte Rauhigkeitsstruktur verfügt, durch gewöhnliches Einpressen der Oberfläche des Gußkernes aufgerauht werden.The casting core can also be used as a green core with the help of a cold or heated one Tool that has a defined roughness structure by ordinary Pressing the surface of the cast core to be roughened.
Natürlich sind auch weitere Aufrauhtechniken denkbar, die zu einer gezielten Oberflächenrauhigkeit auf dem Gußkern führen; wesentlich ist das Vorsehen einer derartigen definierten Rauhigkeit auf dem Gußkern, durch den eine gezielt eingestellte Oberflächenrauheit im Endprodukt, beispielsweise im Kühlkanal einer Turbinenschaufel oder im Kühlkanal einer Brennkammerwand herstellbar ist. Of course, other roughening techniques are also conceivable, which lead to a targeted surface roughness lead on the casting core; the provision of such is essential defined roughness on the casting core, through which a specifically set Surface roughness in the end product, for example in the cooling duct of a turbine blade or can be produced in the cooling channel of a combustion chamber wall.
Die Oberflächenrauhigkeit ist derart einzustellen, daß sie den nachfolgenden Strömungsbedingungen, die innerhalb des Kühlkanals vorherrschen und der gewünschten Wärmeübergangszahl angepaßt wird.The surface roughness should be adjusted so that it meets the following flow conditions, that prevail within the cooling channel and the desired Heat transfer coefficient is adjusted.
Grundsätzlich gilt folgende Beziehung zwischen dem Widerstandsbeiwert f und der
Wärmeübergangszahl α bzw. der Stanton-Zahl St:
In der vorstehenden Gleichung stehen die mit dem Index Null bezeichneten Größen
für Referenzgrößen eines glatten Kanals, während die indexlosen Größen für einen
rauhen Kanal gelten. Für den Fall, daß das Verhältnis
Nach Bestimmung der gewünschten Wärmeübergangszahlerhöhung kann aus der
Diagrammdarstellung gemäß Fig. 3 (wird im weiteren Bezug genommen) die zugehörige
Rauhigkeitsgröße R/kS abgelesen werden und für die Herstellung des Kernwerkzeuges
verwendet werden. Die maximal erreichbare Erhöhung des Wärmeübergangs
liegt hierbei jedoch bei
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
- Fig. 1
- Diagrammdarstellung zur Darstellung des Widerstandsbeiwertes f von verschieden ausgebildeten Kühlkanälen,
- Fig. 2
- Diagrammdarstellung der Gütefunktion von unterschiedlich ausgestalteten Kühlkanälen,
- Fig. 3
- Widerstandsbeiwert als Funktion der Reynoldszahl für verschiedene Wandrauhigkeiten und
- Fig. 4a, b
- Tabellen zur Erhöhung des Wärmeübergangs bei einer gezielten Einbringung von Rauhigkeiten für verschiedene Reynolds-Zahlen und
- Fig. 5 a, b
- schematisierte Querschnittsdarstellung einer mit Rippenzügen versehenen Wand ohne bzw. mit Oberflächenrauhigkeit.
- Fig. 1
- Diagram to show the drag coefficient f of differently designed cooling channels,
- Fig. 2
- Diagram representation of the quality function of differently designed cooling channels,
- Fig. 3
- Resistance coefficient as a function of the Reynolds number for different wall roughness and
- 4a, b
- Tables for increasing the heat transfer with a targeted introduction of roughness for different Reynolds numbers and
- 5 a, b
- schematic cross-sectional representation of a wall provided with ribs without or with surface roughness.
Auf die Fig. 1 und 2 sind in den vorstehenden Ausführungen Bezug genommen.1 and 2 are referred to in the above statements.
Das Diagramm in Figur 3 zeigt die Abhängigkeit des Widerstandsbeiwerts f von der
Reynoldszahl Re für verschiedene Rauhigkeitshöhen ks/2R. Im Bild sind zunächst
die beiden charakteristischen Kurven für den Verlauf des 'Widerstandsbeiwerts f für
einen glatten Kanal s und den Grenzfall eines vollständig rauhen Kanals r gezeigt.
Der glatte Kanal besitzt hierbei eine sehr kleine Rauhigkeit typischerweise mit einer
Rauhigkeits-Reynoldszahl Rek < 5. Dieser Zusammenhang geht auch aus den Büchern
von Hays + Crawford,
Der zweite Fall liegt bei Rek = 70, der eine Grenzhöhe an Rauhigkeit darstellt. Wird diese Rauhigkeitshöhe überschritten, so kann beobachtet werden, daß der Widerstandsbeiwert für einen rauhen Kanal konstant bleibt für alle Reynoldszahlen. The second case is Re k = 70, which represents a limit on roughness. If this roughness level is exceeded, it can be observed that the resistance coefficient for a rough channel remains constant for all Reynolds numbers.
Dementsprechend nehmen die in Figur 3 eingetragenen Kurven für verschiedene Werte der Rauhigkeitshöhe ks/2R jeweils einen konstanten Wert für die Widerstandszahl f an, sofern sie rechts von dieser Linie im Diagramm liegen.Accordingly, the curves entered in FIG. 3 each assume a constant value for the resistance number f for different values of the roughness height k s / 2R, provided that they are to the right of this line in the diagram.
Bei Erhöhung des Wärmeübergangs durch eine gezielte Rauhigkeitseinbringung um
bspw. 20 %, im Vergleich zu einem glatten Kanal, d.h. 1,2·α0 erhöht sich der Widerstandsbeiwert
f um etwa 33 %. Aus Figur 3 ergibt sich bspw. für eine Reynolds-Zahl
von 100.000, daß mit einer Rauhigkeitserhöhung von
Aus den in Figur 4 a und b angegebenen Tabellen sind zwei Fälle für verschiedene Rauhigkeitshöhen R/kS zu entnehmen, die die resultierende Erhöhung des Wärmeübergangs St/St0 bei verschiedenen Reynolds-Zahlen Re verdeutlichen sollen. Man sieht deutlich, wie die Rauhigkeit den Wärmeübergang mit steigender Reynoldszahlen Re intensiviert.From the tables given in FIGS. 4 a and b two cases for different roughness heights R / k S can be seen, which are intended to illustrate the resulting increase in heat transfer St / St 0 at different Reynolds numbers Re. One can clearly see how the roughness intensifies the heat transfer with increasing Reynolds numbers Re.
Für
In Fig. 5 sind in den Teilfiguren a und b Querschnitte durch eine Kühlwandoberfläche
3 dargestellt, die jeweils mit Rippenzügen versehen ist. Im Falle der Figur 4a erheben
sich zwei Rippenzüge 1, 2 senkrecht über die Kühlwandoberfläche 3 und stellen
für die über die Rippenzüge 1, 2 strömende Kühlströmung KS einen Widerstand dar.
Die durch den Kühlkanal hindurchtretende Strömung KS wird von jedem Rippenzug
von der Wand 3 abgelöst, wobei sich in Strömungsrichtung hinter jedem Rippenzug
Leewirbel 4 und in Strömungsrichtung vor jedem Rippenzug Stauwirbel 5 bilden. 5 are cross sections through a cooling wall surface in the partial figures a and
Beim Vorsehen einer Oberflächenrauhigkeit zwischen einzelnen Rippenzügen, wie es im Fallbeispiel der Figur 4b dargestellt ist, bewirkt die Rauhigkeit zwischen den Rippenzügen eine Veränderung der Strömung KS durch eine stärkere Wandschubspannung und somit eine Intensivierung der Wärmeübertragung.When providing a surface roughness between individual ribs, such as it is shown in the case example of Figure 4b, causes the roughness between the Ribs a change in the flow KS by a stronger wall shear stress and thus an intensification of heat transfer.
Aus der Gegenüberstellung der Fig. 4a und 4b geht hervor, daß die Länge L des
Ablösegebietes, in der die Strömung nach jedem Rippenzug von der Kühlwand beabstandet
ist, durch die Wandrauhigkeit verkürzt wird. Dies bedeutet, daß im
- 11
- RippenzugRib train
- 22nd
- RippenzugRib train
- 33rd
- KühlwandoberflächeCooling wall surface
- 44th
- LeewirbelLeew vortex
- 55
- StauwirbelJam vortex
- LL
- Länge des AblösegebietesLength of the transfer area
- KSKS
- KühlströmungCooling flow
Claims (11)
dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenrauhigkeit des Gußkerns einer gewünschten Wärmeübergangszahl angepaßt wird, die sich bei Überströmen der den Hohlraum einschließenden rauhen Oberflächenbereiche innerhalb des Gußteils mit dem Kühlmedium, vorzugsweise Kühlluft, einstellt.Method according to claim 1,
characterized in that the surface roughness of the cast core is adapted to a desired heat transfer coefficient, which occurs when the cooling medium, preferably cooling air, flows over the rough surface areas enclosing the cavity within the casting.
dadurch gekennzeichnet, daß der Gußkern derart ausgebildet wird, daß sich der Hohlraum innerhalb des Gußteils als Strömungskanal ausbildet, der von aufgerauhten Oberflächenbereichen eingeschlossen wird, deren Oberflächenrauhigkeit durch das Verhältnis aus hydraulischem Radius R des Strömungskanals und der äquivalenten Sandkornrauhigkeit ks bestimmt wird.The method of claim 1 or 2,
characterized in that the casting core is formed such that the cavity within the casting is formed as a flow channel which is enclosed by roughened surface areas, the surface roughness of which is determined by the ratio of the hydraulic radius R of the flow channel and the equivalent sand grain roughness k s .
dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis R/ks vorzugsweise etwa den Wert 60 - 120 annimmt.Method according to claim 3,
characterized in that the ratio R / k s preferably takes on the value approximately 60-120.
dadurch gekennzeichnet, daß der Gußkern aus einer modellierfähigen Masse besteht, die in einem weiteren Herstellungsschritt zum Aushärten gebracht wird. Method according to one of claims 1 to 4,
characterized in that the cast core consists of a moldable mass which is hardened in a further manufacturing step.
dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufrauhen der Oberflächenbereiche des Gußkernes ein Kernwerkzeuges verwendet wird, dessen Oberfläche mittels Funkenerosion gezielt aufgerauht wird..Method according to one of claims 1 to 5,
characterized in that a core tool is used to roughen the surface areas of the cast core, the surface of which is deliberately roughened by means of spark erosion.
dadurch gekennzeichnet, daß die aufgerauhten Oberflächenbereiche des Gußkerns mittels Sandstrahlen hergestellt werden.Method according to one of claims 1 to 5,
characterized in that the roughened surface areas of the cast core are produced by means of sandblasting.
dadurch gekennzeichnet, daß die aufgerauhten Oberflächenbereiche des Gußkerns mittels Einpressen von Rauhigkeitsstrukturen unter Verwendung kalter oder erwärmter Presswerkzeuge aufgerauht werden.Method according to one of claims 1 to 5,
characterized in that the roughened surface areas of the cast core are roughened by pressing in roughness structures using cold or heated pressing tools.
dadurch gekennzeichnet, daß das Kernwerkzeug aufgerauht wird, noch bevor es zur Hertstellung des Gußkern verwendet wird.Method according to claim 6,
characterized in that the core tool is roughened before it is used to produce the casting core.
dadurch gekennzeichnet, daß das fertiggestellte Gießteil eine mit Kühlkanälen durchsetzte Turbinenschaufel oder Brennkammer ist, deren Kühlkanalwände durch den Gießprozeß eine definierte Oberflächenrauhigkeit erhalten, die der Oberflächenrauhigkeit des Gußkernes entspricht.Method according to one of claims 1 to 9,
characterized in that the finished casting is a turbine blade or combustion chamber interspersed with cooling channels, the cooling channel walls of which receive a defined surface roughness through the casting process which corresponds to the surface roughness of the cast core.
dadurch gekennzeichnet, daß in den Gußkern Auskerbungen eingearbeitet werden, die beim Gießvorgang an der Hohlraumoberfläche des Gießteils Rippenzüge und eine definierte Rauhigkeit entstehen lassen.Method according to one of claims 1 to 10,
characterized in that notches are worked into the cast core, which give rise to ribs and a defined roughness during the casting process on the cavity surface of the casting.
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