EP0992653A1 - Filmgekühlte Komponenten mit Filmkühlungkanälen mit dreieckigem Querschnitt - Google Patents

Filmgekühlte Komponenten mit Filmkühlungkanälen mit dreieckigem Querschnitt Download PDF

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EP0992653A1
EP0992653A1 EP98811012A EP98811012A EP0992653A1 EP 0992653 A1 EP0992653 A1 EP 0992653A1 EP 98811012 A EP98811012 A EP 98811012A EP 98811012 A EP98811012 A EP 98811012A EP 0992653 A1 EP0992653 A1 EP 0992653A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
hot gas
film cooling
film
component
cooling channel
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP98811012A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ewald Lutum
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Research Ltd Switzerland
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Research Ltd Switzerland filed Critical ABB Research Ltd Switzerland
Priority to EP98811012A priority Critical patent/EP0992653A1/de
Publication of EP0992653A1 publication Critical patent/EP0992653A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/002—Wall structures
    • 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
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/10—Two-dimensional
    • F05D2250/11—Two-dimensional triangular
    • 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
    • F05D2260/202—Heat transfer, e.g. cooling by film cooling

Definitions

  • the present invention relates to a thermally highly resilient component, which is subjected to a hot gas flow during operation, which Component exposed to at least one of the hot gas flow Hot gas side and a cold gas side not exposed to the hot gas flow has, the hot gas side in operation by a cooling film in front of the direct contact with the hot gas, which cooling film is protected from a fluid is formed, which is integrated into the component by the Hot gas and cold gas side connecting film cooling channels on the Hot gas side of the component is guided, the cross section at least one of the film cooling channels is constant over its entire length Surface and has a constant geometry.
  • Cylindrical are usually used for the transfer of the cooling medium Drilled holes in the component to be cooled, which in transverse to Main flow direction of the hot gas flow oriented rows are arranged.
  • the development towards higher hot gas temperatures has however, has led to an ever increasing amount of cooling air. This is, however the blow-out rate has risen so much that the cooling effectiveness drops drastically, this means that the amount of cooling air has to be increased disproportionately to achieve a desired absolute cooling.
  • the object of the invention is, in a thermally highly resilient component, which is subjected to a hot gas flow during operation, which Component exposed to at least one of the hot gas flow Hot gas side and a cold gas side not exposed to the hot gas flow has, the hot gas side in operation by a cooling film in front of the direct contact with the hot gas, which cooling film is protected from a fluid is formed, which is integrated into the component by the Hot gas and cold gas side connecting film cooling channels on the Hot gas side of the component is guided, the cross section at least one of the film cooling channels is constant over its entire length Surface and has a constant geometry, a geometry of Specify film cooling channels in which the cooling effectiveness even at high Blow-out rates are maintained.
  • the essence of the invention is, therefore, the film cooling channels thermally to design highly stressed components so that the replacement of the Film flow is prevented as possible. Due to the large number in Each individual component of channels to be introduced must be made Economic considerations also a simple production in as possible an operation using widely used machining methods be given.
  • this is achieved in that this film cooling channel is laterally delimited by three flat boundary surfaces.
  • the invention thus proposes a film cooling channel with a triangular shape Channel cross section before, the corners for reasons of strength and the Manufacturing will generally be rounded.
  • the cross-sectional area is kept constant over the entire channel length.
  • the channel cross section advantageously takes the form of a very flattened shape isosceles triangle, that is, two of the side of the channel bounding surfaces will enclose an angle of more than 120 °. Furthermore, the surface opposite this angle is advantageous arranged that their line of penetration with the component surface transverse to Main flow is oriented, and the outlet mouth of the film cooling channel limited upstream.
  • the resulting outlet mouth can be described as a flattened triangle, the broad base of which is oriented transversely to the hot gas flow and the tip of which points in the direction of the hot gas flow.
  • This configuration results in a number of advantageous effects: On the one hand, compared to a cylindrical film cooling channel with the same cross coverage the surface to be cooled requires significantly less cooling medium, or the overlap is significantly increased with the same coolant throughput. Experimental investigations have also shown that the cooling film lies better on the surface to be cooled, because the transverse orientation to the hot gas flow directs the coolant jet in a tangential direction with a large aerodynamic force.
  • An additional advantage of the inventive design of the film cooling channels is that secondary currents are induced in them, which efficiently counteract rapid mixing of the hot gas flow and cooling medium.
  • the described shape of the film cooling openings can be easily produced as there are no cross-sectional transitions to be worked into the material.
  • the additional manufacturing effort compared to cylindrical bores is right low.
  • devices for electrochemical Drilling the film cooling channels after replacing the dies without further changes continue to be used, in particular remain the manufacturing steps are identical.
  • Laser drilling is also no change to existing fixtures necessary.
  • FIG. 1 is an example of a film-cooled component Turbine blade 10 shown. This is in the direction of the arrows from one Hot gas flow 8 flows around. Through the interior 11, which by webs 20th is divided, the blade is supplied with cooling medium. This is through Film cooling channels 30 guided to the outside of the blade and forms there a cooling film. As can be seen in the drawing, the channels 30 in arranged transversely to the inflow 8 rows to one possible to ensure complete wetting of the surface 14 to be cooled.
  • the illustration of a blade with the cooling medium through the interior is not a limitation here.
  • an element over which hot gas flows only on one side for example a Combustion chamber segment to be cooled in this way.
  • the Film cooling channels then do not connect an interior with one Outside space, but an area not exposed to hot gas cooling surface.
  • FIG. 2 shows the geometry of a design according to the invention Shown film cooling channel 30 which is in a plane perpendicular to Coolant flow 35 is cut.
  • the film cooling channel is through three adjacent flat boundary surfaces 301, 302 and 303 laterally limited. The transitions are for reasons of production and strength rounded between two boundary surfaces.
  • the boundary surfaces include angles A, B and C, one of which is the Angle, here the angle C, preferably greater than 120 °, is selected from Reasons discussed below. Likewise, angles A and B are made fluid-mechanical considerations preferably chosen to be the same size.
  • FIG. 3 shows a section of a film-cooled component 10, which with film cooling openings 30 according to the invention is provided in a Top view of the hot gas side 14, as well as a side view in section Z-Z.
  • the surface 14 to be cooled is in the direction of the arrow by a Hot gas flow 8 overflows.
  • the film cooling channel 30 opens onto the Hot gas side 14; the channel mouth is through the penetration lines 311, 312, 313 of the boundary surfaces 301, 302, 303 defined. Because of the generally large angle of attack D of the channel against the normal 141 the hot gas side 14 are the angles A, B and C on the hot gas side strongly distorted as the angles A ', B' and C '.
  • the film cooling channel is advantageously in such a way in the component to be cooled incorporated that the penetration line 311 of the surface which corresponds to the angle C opposite, the mouth of the channel 30 on the to be cooled
  • Component surface 14 upstream of the hot gas flow limited, and transverse to Flow direction of the hot gas is arranged.
  • the mouth thus receives essentially the shape of a triangle with rounded corners that through the edges 311, 312 and 313 is formed, being more expedient Forming the film cooling channel 30 the edge 311 a very wide base forms, and which with a tip enclosing the angle C 'in Main flow direction shows.
  • angles A and B. it is also advantageous to use the angles A and B. to choose the same size, which in the preferred shown Configuration of the film cooling channel symmetrical to the main flow direction of the hot gas. If this symmetry is not given, they take effect aerodynamic forces also asymmetrical on the coolant jet and deflect it laterally.
  • Fig. 4 are a series of cylindrical film cooling channels and a series compared film cooling channels according to the invention. Clear The lateral coverage is recognizable in the embodiment according to the invention the surface to be cooled with a constant cross-sectional area of the channels significantly increased, which of course improves the cooling effectiveness.
  • the advantageous effects were verified by measurements, the results of which are shown qualitatively in FIG. 5.
  • the adiabatic cooling effectiveness ⁇ ad relates the temperature gradient between the surface to be cooled and the hot gas to the temperature gradient between the coolant and hot gas.
  • the blowout rate M can be interpreted as a volume-specific pulse ratio of coolant flow and hot gas flow.
  • the measured values are plotted for different values X / D, where X represents a distance downstream of the blow-out point and D represents a hydraulically equivalent diameter of the film cooling channel.
  • X represents a distance downstream of the blow-out point
  • D represents a hydraulically equivalent diameter of the film cooling channel.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Die Filmkühlungskanäle (30) eines filmgekühlten Bauteils (10) werden im Querschnitt im dreieckig ausgestaltet. Vorzugsweise wird die Querschnittsgeometrie so gewählt, dass die Mündung eines Kanals auf der Heissgasseite (14) ein abgeflachtes Dreieck bildet, dessen breitere Seite (311) quer zur Heissgasströmung liegt. Im Vergleich zu zylindrischen Filmkühlungskanälen resultiert aus dieser Konfiguration bei gleichem Kanalquerschnitt eine deutlich bessere Überdeckung der zu kühlenden Bauteiloberfläche durch den Kühlfilm. Weiterhin zeigt sich im Experiment, dass insbesondere bei einem hohen durch die Filmkühlungsöffnungen durchgesetzten Massenstrom die Ablöseneigung des Kühlfilms von der zu kühlenden Oberfläche signifikant verringert wird, was sich in einer Steigerung der Kühleffektivität manifestiert. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermisch hochbelastbare Komponente, welche im Betrieb mit einer Heissgasströmung beaufschlagt ist, welche Komponente mindestens eine der Heissgasströmung ausgesetzte Heissgasseite und eine der Heissgasströmung nicht ausgesetzte Kaltgasseite aufweist, wobei die Heissgasseite im Betrieb durch einen Kühlfilm vor dem unmittelbaren Kontakt mit dem Heissgas geschützt ist, welcher Kühlfilm von einem Fluid gebildet ist, welches durch in die Komponente integrierte, die Heissgas- und die Kaltgasseite verbindende Filmkühlungskanäle auf die Heissgasseite der Komponente geführt ist, wobei der Querschnitt mindestens eines der Filmkühlungskanäle über seine gesamte Länge eine konstante Fläche und eine konstante Geometrie aufweist.
Stand der Technik
In der modernen Technik tritt häufig der Fall auf, dass ein Bauteil von einem Medium umströmt oder überströmt wird, dessen Temperatur die im Interesse der Betriebssicherheit maximal zulässige Bauteiltemperatur bei weitem übersteigt. Exemplarisch seien die Bedingungen im Inneren von Gasturbinen-Brennkammern und in deren ersten Turbinenstufen zu nennen. Hier liegt zudem eine stark turbulente Bauteilumströmung vor, durch die der Wärmeübergang weiter intensiviert wird. Bei den im Interesse eines hohen Wirkungsgrades heute erreichten Heissgastemperaturen sind die Grenzen der einfachen Bauteilkühlung mit einer Wärmeabfuhr durch das Bauteil hindurch bei weitem überschritten.
Als wesentlich geeigneter erweisen sich Methoden, bei denen der direkte Kontakt der zu kühlenden Komponenten mit der Heissgasströmung von vornherein unterbunden wird. Bei der im Gasturbinenbau weit verbreiteten Filmkühlung wird das zu kühlende Bauteil auf einer nicht von Heissgas überströmten Seite- bei umströmten Bauteilen, wie Schaufeln, in deren Innerem - mit Kühlmedium - im allgemeinen Verdichterluft - beaufschlagt. Die Kaltgasseite und die Heissgasseite stehen durch eine Vielzahl von Kanälen miteinander in Verbindung, die auf der Heissgasseite möglichst tangential zur Heissgasströmung münden. Hierdurch wird eine Schicht kühlen Mediums auf das Bauteil aufgebracht, die den direkten Kontakt von Bauteil und Heissgasströmung unterbindet.
Dieses Kühlverfahren ist originär in der US 3,527,543 offenbart.
Für den Transfer des Kühlmediums werden üblicherweise zylindrische Bohrungen in das zu kühlende Bauteil eingearbeitet, die in quer zur Hauptströmungsrichtung der Heissgasströmung orientierten Reihen angeordnet sind. Die Entwicklung zu höheren Heissgastemperaturen hat jedoch dazu geführt, die Kühlluftmenge ständig zu erhöhen. Dadurch ist jedoch die Ausblaserate so weit gestiegen, dass die Kühleffektivität drastisch einbricht, das heisst, die Kühlluftmenge muss überproportional gesteigert werden, um eine gewünschte absolute Kühlung zu erreichen. In erster Linie ist das darauf zurückzuführen, dass die Geschwindigkeitskomponente des Kühlmediums normal zur Bauteiloberfläche stark ansteigt, und der Kühlfilm in Folge von Heissgas durchdrungen und sozusagen unterspült wird.
Dies führte zur Entwicklung von Kanalgeometrien, welche die Normalkomponente des austretenden Kühlluftstrahls reduzieren. Eine solche Geometrie ist beispielsweise aus der EP 0 648 918 B1 bekannt. In dieser Schrift sind Filmkühlungskanäle mit diffusorförmigem Austrittsquerschnitt offenbart, wobei der Diffusor ein Paar in Strömungsrichtung gegenüberliegender Flächen aufweist, und die stromab gelegene Kante sich in Strömungsrichtung von der anderen wegkrümmt. Zusammenfassend lässt sich die dort angegebene Kanalgeometrie so charakterisieren, dass sich an einen Kanalabschnitt mit rundem Querschnitt ein im Querschnitt rechteckiger Diffusor anschliesst, der auf der zu kühlenden Oberfläche mündet. Neben einer verbesserten tangentialen Führung der Kühlluftströmung und einer Reduktion dessen Geschwindigkeit wird auch die Querausdehnung des aus jeder einzelnen Öffnung austretenden Kühlluftstrahls erreicht.
Jedoch ist für den Fachmann ohne weiteres der hohe Fertigungsaufwand erkennbar, der erforderlich ist, um Filmkühlungskanäle gemäss der zitierten Schrift herzustellen; insbesondere muss in eine einzelne herzustellende Komponente eine grosse Anzahl von Filmkühlungskanälen eingearbeitet werden, deren Durchmesser typischerweise in einer Grössenordnung von weniger als 1 Millimeter liegt. Aus Fertigungsgründen ist es daher wünschenswert, mit Filmkühlungskanälen zu arbeiten, die keine axialen Krümmungen aufweisen, und deren Querschnittsgeometrie konstant ist. Dabei soll die starke Abhängigkeit des Durchflusses vom Druckverhältnis vermieden werden. Daneben muss auch beachtet werden, dass der Konturierung eines Filmkühlungskanals als Diffusor die Gefahr einer Ablösung der Kühlluftströmung und einer daraus resultierenden schädlichen Verminderung des Kühlluftmassenstroms inhärent ist.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, in einer thermisch hochbelastbaren Komponente, welche im Betrieb mit einer Heissgasströmung beaufschlagt ist, welche Komponente mindestens eine der Heissgasströmung ausgesetzte Heissgasseite und eine der Heissgasströmung nicht ausgesetzte Kaltgasseite aufweist, wobei die Heissgasseite im Betrieb durch einen Kühlfilm vor dem unmittelbaren Kontakt mit dem Heissgas geschützt ist, welcher Kühlfilm von einem Fluid gebildet ist, welches durch in die Komponente integrierte, die Heissgas- und die Kaltgasseite verbindende Filmkühlungskanäle auf die Heissgasseite der Komponente geführt ist, wobei der Querschnitt mindestens eines der Filmkühlungskanäle über seine gesamte Länge eine konstante Fläche und eine konstante Geometrie aufweist, eine Geometrie der Filmkühlungskanäle anzugeben, bei der die Kühleffektivität auch bei hohen Ausbblaseraten erhalten bleibt.
Kern der Erfindung ist es also, die Filmkühlungskanäle thermisch hochbelasteter Bauelemente so zu gestalten, dass die Ablösung der Filmströmung möglichst unterbunden wird. Aufgrund der grossen Anzahl in jedem einzelnen Bauteil einzubringender Kanäle muss dabei aus Wirtschaftlichkeitsüberlegungen auch eine einfache Fertigung in möglichst einem Arbeitsgang unter Einsatz weitverbreiteter Bearbeitungsmethoden gegeben sein.
Erfindungsgemäss wird die dadurch erreicht, dass dieser Filmkühlungskanal durch drei ebene Begrenzungsflächen seitlich begrenzt ist.
Die Erfindung schlägt also einen Filmkühlungskanal mit dreiecksförmigem Kanalquerschnitt vor, wobei die Ecken aus Gründen der Festigkeit und der Fertigung im allgemeinen ausgerundet sein werden. Die Querschnittfläche wird über die gesamte Kanallänge konstant gehalten.
Mit Vorteil erhält der Kanalquerschnitt die Form eines sehr stark abgeflachten gleichschenkligen Dreiecks, das heisst, zwei der seitlich den Kanal begrenzenden Flächen werden einen Winkel über 120° einschliessen. Weiterhin wird mit Vorteil die diesem Winkel gegenüberliegende Fläche so angeordnet, dass deren Durchdringungslinie mit der Bauteiloberfläche quer zur Hauptströmung orientiert ist, und die Austrittsmündung des Filmkühlungskanals stromauf begrenzt.
Die so entstehende Austrittsmündung kann als ein abgeflachtes Dreieck beschrieben werden, dessen breite Basis quer zur Heissgasrömung orientiert ist, und dessen Spitze in Richtung der Heissgasströmung weisst. Aus dieser Konfiguration resultiert eine Reihe vorteilhafter Effekte: Zum einen wird gegenüber einem zylindrischen Filmkühlungskanal bei gleicher Querüberdeckung
der zu kühlenden Oberfläche deutlich weniger Kühlmedium benötigt, respektive die Überdeckung wird bei gleichem Kühlmitteldurchsatz erheblich vergrössert. Experimentelle Untersuchungen haben weiterhin gezeigt, dass der Kühlfilm besser auf der zu kühlenden Oberfläche anliegt, da durch die Querorientierung zur Heissgasströmung der Kühlmittelstrahl von dieser mit einer grossen aerodynamischen Kraft in tangentiale Richtung gelenkt wird. Als zusätzlicher Vorteil der ertindungsgemässen Gestaltung der Filmkühlungskanäle ist zu nennen, dass in diesen Sekundärströmungen induziert werden, die effizient einer schnellen Durchmischung von Heissgasströmung und Kühlmedium entgegenwirken.
Die beschriebene Form der Filmkühlungsöffnungen kann einfach hergestellt werden, da keine Querschnittsübergänge in das Material einzuarbeiten sind. Der Herstellungs-Mehraufwand gegenüber zylindrischen Bohrungen ist recht gering. So können beispielsweise Vorrichtungen zum elekrochemischen Bohren der Filmkühlungskanäle nach einem Austausch der Matrizen ohne weitere Veränderungen weiterverwendet werden, insbesondere bleiben auch die Arbeitsschritte bei der Herstellung identisch. Bei der Fertigung mittels Laserbohren sind ebenso keine Änderungen an vorhandenen Vorrichtungen notwendig.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
  • Fig. 1 einen Teil einer filmgekühlten Turbinenschaufel
  • Fig. 2 einen Erfindungsgemässen Kanal, der senkrecht zu seiner Durchströmungsrichtung geschnitten ist.
  • Fig. 3 ein Detail einer Erfindungsgemässen Kühlkonfiguration
  • Fig. 4 einen Vergleich der Filmkühlungsreihen mit zylindrischen und erfindungsgemäss angeordneten dreieckigen Kanälen
  • Fig. 5 einen Vergleich der gemessenen Kühleffektivitäten der Kühlkonfigurationen aus Fig. 4.
    • Weg zur Ausführung der Erfindung
    Als Beispiel für eine filmgekühlte Komponente ist in Fig. 1 eine Turbinenschaufel 10 dargestellt. Diese wird in Richtung der Pfeile von einer Heissgasströmung 8 umströmt. Durch den Innenraum 11, der durch Stege 20 unterteilt ist, wird der Schaufel Kühlmedium zugeführt. Dieses wird durch Filmkühlungskanäle 30 auf die Schaufelaussenseite geführt und bildet dort einen Kühlfilm. Wie in der Zeichnung zu erkennen, werden die Kanäle 30 in quer zur Anströmung 8 verlaufenden Reihen angeordnet, um eine möglichst vollständige Benetzung der zu kühlenden Oberfläche 14 zu gewährleisten.
    Die Darstellung einer Schaufel, bei der das Kühlmedium durch das Innere geführt wird, stellt hier keine Einschränkung dar. Selbstverständlich kann auch ein nur einseitig mit Heissgas überströmtes Element, beispielsweise ein Brennkammersegment, auf diese Weise gekühlt werden. Die Filmkühlungskanäle verbinden dann nicht einen Innenraum mit einem Aussenraum, sondern eine nicht mit Heissgas beaufschlagte Fläche mit der zu kühlenden Fläche.
    In Fig. 2 ist die Geometrie eines erfindungsgemäss ausgeführten Filmkühlungskanals 30 dargestellt, der in einer Ebene senkrecht zur Kühlmittelströmung 35 geschnitten ist. Der Filmkühlungskanal ist durch drei aneinander angrenzende ebene Begrenzungsflächen 301, 302 und 303 seitlich begrenzt. Aus Gründen der Fertigung und der Festigkeit sind die Übergänge zwischen jeweils zwei Begrenzungsflächen ausgerundet.
    Die Begrenzungsfächen schliessen die Winkel A, B und C ein, wobei einer der Winkel, hier der Winkel C, bevorzugt grösser als 120° gewählt ist, dies aus Gründen, die unten diskutiert werden. Ebenso werden die Winkel A und B aus strömungsmechanischen Überlegungen bevorzugt gleich gross gewählt.
    Fig 3 zeigt einen Ausschnitt einer filmgekühlten Komponente 10, die mit erfindungsgemässen Filmkühlungsöffnungen 30 versehen ist in einer Draufsicht auf die Heissgasseite 14, sowie in einer Seitenansicht im Schnitt Z-Z. Die zu kühlende Oberfläche 14 wird in Pfeilrichtung von einer Heissgasströmung 8 überströmt. Der Filmkühlungskanal 30 mündet auf der Heissgasseite 14; die Kanalmündung ist dabei durch die Durchdringungslinien 311, 312, 313 der Begrenzungsflächen 301, 302, 303 definiert. Aufgrund des im allgemeinen grossen Anstellwinkels D des Kanals gegen die Normale 141 der Heissgasseite 14 werden die Winkel A, B und C auf der Heissgasseite stark verzerrt als die Winkel A', B' und C' abgebildet.
    Mit Vorteil ist der Filmkühlungskanal dergestalt in die zu kühlende Komponente eingearbeitet, dass die Durchdringungslinie 311 der Fläche, die dem Winkel C gegenüberliegt, die Mündung des Kanals 30 auf der zu kühlenden
    Bauteiloberfläche 14 stromauf der Heissgasanströmung begrenzt, und quer zur Strömungsrichtung des Heissgases angeordnet ist. Die Mündung erhält damit im wesentlichen die Form eines Dreiecks mit abgerundeten Ecken, das durch die Kanten 311, 312 und 313 gebildet ist, wobei bei zweckmässiger Ausformung des Filmkühlungskanals 30 die Kante 311 eine sehr breite Basis bildet, und welches mit einer den Winkel C' einschliessenden Spitze in Hauptströmungsrichtung zeigt.
    Wie leicht nachvollziehbar ist, wird mit zunehmendem Winkel C', das heisst, bei festgelegter Anstellung D mit zunehmendem Winkel C, die Quererstreckung des Kanals im Verhältnis zum Querschnitt - und damit zum durchgesetzten Massenstrom - grösser, weshalb die stromab liegende Fläche besser durch den Kühlfilm 35 überdeckt wird. Weiterhin wird der austretende Kühlmittelstrahl aufgrund der oben beschriebenen Orientierung des Kanals auf seiner stumpfen Seite vom Heissgas angeströmt. Das Heissgas 8 kann somit eine grosse Kraft auf den Kühlmittelstrahl 35 ausüben, wodurch dieser förmlich auf die zu kühlende Oberfläche 14 aufgepresst wird.
    Hiermit im Zusammenhang ist es weiterhin vorteilhaft, die Winkel A und B gleich gross zu wählen, wodurch in der dargestellten, bevorzugten Konfiguration der Filmkühlungskanal symmetrisch zur Hauptströmungsrichtung des Heissgases ist. Wenn diese Symmetrie nicht gegeben ist, greifen die aerodynamischen Kräfte ebenfalls unsymmetrisch am Kuhlmittelstrahl an und lenken diesen seitlich aus.
    In Fig. 4 sind eine Reihe zylindrischer Filmkühlungskanäle und eine Reihe erfindungsgemässer Filmkühlungskanäle gegenübergestellt. Deutlich erkennbar wird bei erfindungsgemässer Ausführung die laterale Überdeckung der zu kühlenden Oberfläche bei konstanter Querschnittsfläche der Kanäle deutlich erhöht, was die Kühleffektivität selbstverständlich verbessert.
    Die vorteilhaften Effekte wurden durch Messungen verifiziert, deren Ergebnisse in Fig. 5 qualitativ dargestellt sind. Die adiabate Kühleffektivität ηad setzt hierbei das Temperaturgefälle zwischen der zu kühlenden Oberfläche und dem Heissgas zum Temperaturgefälle zwischen Kühlmittel und Heissgas ins Verhältnis. Die Ausblaserate M kann als ein volumenspezifisches lmpulsverhältnis von Kühlmittelströmung und Heissgasströmung interpretiert werden. Die Messwerte sind für verschiedene Werte X/D aufgetragen, wobei X eine Distanz stromab der Ausblasestelle und D einen hydraulisch äquivalenten Durchmesser des Filmkühlungskanals darstellen. Deutlich erkennbar, ist die erfindungsgemässe Konfiguration derjenigen mit zylindrischen Kanälen signifikant überlegen.
    Bezugszeichenliste
    8
    Heissgasanströmung
    10
    Komponente, die im Betrieb mit einer Heissgasströmung beaufschlagt ist
    11
    Raum, durch den das Kühlmedium geführt wird
    12
    Heissgasraum
    13
    nicht mit Heissgas beaufschlagte Oberfläche (Kaltgasseite)
    14
    mit Heissgas beaufschlagte Oberfläche (Kaltgasseite)
    20
    Steg
    30
    Filmlegerkanal
    35
    Strömung des Kühlmediums
    114
    Normale zur zu kühlenden Oberfläche 14
    301
    Begrenzungsfläche eines Filmkühlungskanals
    302
    Begrenzungsfläche eines Filmkühlungskanals
    303
    Begrenzungsfläche eines Filmkühlungskanals
    311
    Durchdringungslinie einer Begrenzungsfläche eines Filmkühlungskanals mit der zu kühlenden Oberfläche
    312
    Durchdringungslinie einer Begrenzungsfläche eines Filmkühlungskanals mit der zu kühlenden Oberfläche
    313
    Durchdringungslinie einer Begrenzungsfläche eines Filmkühlungskanals mit der zu kühlenden Oberfläche
    A
    Von zwei Begrenzungsflächen eines Filmkühlungskanals eingeschlossener Winkel
    B
    Von zwei Begrenzungsflächen eines Filmkühlungskanals eingeschlossener Winkel
    C
    Von zwei Begrenzungsflächen eines Filmkühlungskanals eingeschlossener Winkel
    D
    Anstellwinkel eines Filmkühlungskanals gegen die Normale der zu kühlenden Oberfläche 14
    A'
    Projektion des von zwei Begrenzungsflächen eines Filmkühlungskanals eingeschlossenen Winkels C auf die zu kühlende
    Oberfläche
    B'
    Projektion des von zwei Begrenzungsflächen eines Filmkühlungskanals eingeschlossenen Winkels B auf die zu kühlende
    Oberfläche
    C'
    Projektion des von zwei Begrenzungsflächen eines Filmkühlungskanals eingeschlossenen Winkels C auf die zu kühlende
    Oberfläche

    Claims (7)

    1. Thermisch hochbelastbare Komponente (10), welche im Betrieb mit einer Heissgasströmung (8) beaufschlagt ist, welche Komponente mindestens eine der Heissgasströmung (8) ausgesetzte Heissgasseite (14) und eine der Heissgasströmung (8) nicht ausgesetzte Kaltgasseite (13) aufweist, wobei die Heissgasseite (14) im Betrieb durch einen Kühlfilm (35) vor dem unmittelbaren Kontakt mit dem Heissgas (8) geschützt ist, welcher Kühlfilm (35) von einem Fluid gebildet ist, welches durch in die Komponente (10) integrierte, die Heissgas- (14) und die Kaltgasseite (13) verbindende Filmkühlungskanäle (30) auf die Heissgasseite (14) der Komponente geführt ist, wobei der Querschnitt mindestens eines der Filmkühlungskanäle (30) über seine gesamte Länge eine konstante Fläche und eine konstante Geometrie aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Filmkühlungskanal (30) durch drei Begrenzungsflächen (301, 302, 303) seitlich begrenzt ist.
    2. Thermisch hochbelastbare Komponente mit mindestens einem Filmkühlungskanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen jeweils zwei der drei Begrenzungsflächen des Filmkühlungskanals ausgerundet ist.
    3. Thermisch hochbelastbare Komponente mit mindestens einem Filmkühlungskanal nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Durchdringungslinie (311) einer der Begrenzungsflächen (301) des Filmkühlungskanals (30) mit der Heissgasseite (14) mit der Heissgasströmung (8) einen stumpfen Winkel einschliesst.
    4. Thermisch hochbelastbare Komponente mit mindestens einem Filmkühlungskanal nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese Durchdringungslinie (311) eine Mündung des Filmkühlungskanals (30) auf der Heissgasseite (14) relativ zur Heissgasströmung (8) stromauf begrenzt.
    5. Thermisch hochbelastbare Komponente mit mindestens einem Filmkühlungskanal nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der drei Begrenzungsflächen (302, 303) einen Winkel (C) einschliessen, der grösser als 120° ist.
    6. Thermisch hochbelastbare Komponente mit mindestens einem Filmkühlungskanal nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungsfläche (301), deren Durchdringungslinie (311) mit der Heissgasseite (14) einen stumpfen Winkel mit der Heissgasströmung (8) einschliesst, dem Winkel (C), der 120° übersteigt, gegenüberliegt.
    7. Thermisch hochbelastbare Komponente mit mindestens einem Filmkühlungskanal nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der drei von jeweils zwei Begrenzungsflächen eingeschlossenen Winkel (A, B) gleich gross sind.
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