EP1046784A1 - Cooled structure - Google Patents

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EP1046784A1
EP1046784A1 EP99810329A EP99810329A EP1046784A1 EP 1046784 A1 EP1046784 A1 EP 1046784A1 EP 99810329 A EP99810329 A EP 99810329A EP 99810329 A EP99810329 A EP 99810329A EP 1046784 A1 EP1046784 A1 EP 1046784A1
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EP
European Patent Office
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pins
component
blow
gas side
medium
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EP99810329A
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Klaus Semmler
Bernard Dr. Weigand
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General Electric Technology GmbH
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ABB Alstom Power Switzerland Ltd
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Publication date
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Priority to DE59910200T priority patent/DE59910200D1/en
Priority to EP99810329A priority patent/EP1046784B1/en
Priority to US09/551,534 priority patent/US6305904B1/en
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    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12Blades
    • F01D5/14Form or construction
    • F01D5/18Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187Convection cooling
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00Function
    • F05D2260/20Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/208Heat transfer, e.g. cooling using heat pipes
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • F05D2260/00Function
    • F05D2260/20Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/221Improvement of heat transfer
    • F05D2260/2214Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00Materials; Properties thereof
    • F05D2300/10Metals, alloys or intermetallic compounds
    • F05D2300/13Refractory metals, i.e. Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W
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    • F05D2300/20Oxide or non-oxide ceramics
    • F05D2300/22Non-oxide ceramics
    • F05D2300/224Carbon, e.g. graphite

Definitions

  • the present invention relates to a coolable component according to the Preamble of claim 1.
  • cooling in which one Coolant flows over a surface of a component, and this heat deprives while another surface with a heat input is applied.
  • a particular disadvantage of convection cooling is that that the entire heat to be dissipated through the component wall must be transported. The area exposed to the heat input is at a much higher temperature than the cooled surface. In addition become significant temperature gradients over component walls and thus Thermal stresses caused.
  • the film cooling known from US 3,527,543 was therefore used for a long time preferred where a coolant - preferably air coming from the compressor is removed, or steam - through the component wall from one Cold gas side flows to the hot gas side to which hot gas is applied.
  • the coolant absorbs heat from the material while it is flows through the blow-out openings.
  • a film lays down relatively cool medium over the hot gas side of the component, and protects it from direct contact with the hot medium. You misplace yourself with modern gas turbines completely on film cooling, the Coolant consumption, however, by mass.
  • a coolable component consisting of a Base material, which component is in operation on a hot gas side with a first flowing medium and on a cold gas side with a second flowing medium is in contact, the temperature of the first medium is higher than that of the second medium, such that the component of the the first medium is heated and cooled by the second medium, and wherein the base material of the component encloses pins, which pins from the Cold gas side protrude into the flow of the second medium, and which pins are made of a material whose thermal conductivity is greater is that of the base material used to manufacture the component, such that the pins operate as heat sinks in the base material heat transfer should improve from the pins to the cooling medium become.
  • the component Has blow-out openings, through which at least part during operation said second medium flows from the cold gas side to the hot gas side, in such a way that the blow-out openings also act as heat sinks, and that along at least one line on the cold gas side each at least one pin and at least one opening are arranged.
  • the blow-out openings also act as heat sinks, and that along at least one line on the cold gas side each at least one pin and at least one opening are arranged.
  • the essence of the invention is, on the one hand, the heat instead of through the Coolant flowing through blow-out openings through thermal to lead highly conductive pins out of the material, so that the Limit coolant consumption.
  • the limitation of Coolant consumption has a very positive effect on the Efficiency when compressor air is used for cooling purposes.
  • the pins are expediently running along the cold gas side Alignments arranged, analogous to the arrangement of the blow-out openings in the Film cooling.
  • the fluid mechanical constraints prevent in a closed cooling system within a component a good one, for example, when cooling a trailing edge of a blade convective heat transfer from the pins to the coolant, but what a The condition for the function of the cooling device is.
  • blow-out openings and heat conducting pins can be according to different criteria, and in individual cases will of course be one detailed calculation of the temperature distributions in the Require machine component.
  • For a minimized coolant consumption will probably be the alternating one Arrangement of two pins and one blow-out opening prove suitable, the opening is expediently arranged centrally between two pins.
  • the alternating arrangement of one pin and one opening each prefer to be.
  • the thermal conductivity of the Material from which the pins are made as high as possible, and at least have three times the value of the base material.
  • the melting point too the material must of course be sufficiently high.
  • Materials that are suitable for the production of the thermal pins for example Tungsten, silver, or especially diamond.
  • the pens have to be one have the best possible heat transfer to the base material, which is what realizes that they are cast in the components.
  • the pens are so deep in that Base material introduced, as it corresponds to 30% to 80% of the material thickness. On the one hand, this ensures a large heat exchange surface, on the other hand the formation of thermal bridges is avoided.
  • the Thermal pins of course by a certain axial dimension in the Protect the coolant.
  • the invention unfolds Cooling configuration their specific advantages, especially when used in hollow components, inside of which the flow of a cooling medium is provided, in particular where component walls are pointed Collide angles.
  • This configuration can be found in particular the trailing edges of gas turbine blades.
  • the cooling configuration according to the invention is also used for the cooling of Advantageously to use blade platforms.
  • the pens help Dissipate heat from the very solidly built platforms without the To allow cooling air consumption to rise above the masses.
  • the Cooling configuration according to the invention advantageously also with impingement cooling be combined
  • a first preferred embodiment of the invention is in two views in the Figures 1 and 2 shown.
  • the hollow cast turbine blade is in the Operation flows around from a hot gas flow 8, which has a heat input causes the hot gas side 11 into the material of the blade.
  • the temperature of the hot gas exceeds that of a material temperature allowed given the mechanical load considerably.
  • the function of such a turbine blade can therefore only be achieved by one sufficient cooling can be guaranteed.
  • the Blade cooled from its cold gas side 12 by the coolant 9. in the Different internals can be present, such as Baffle cooling plates, or webs for guiding the coolant on the cold gas side.
  • Rows of blow-out openings 21 are on the surface of the blade lines running normal to the direction of flow of the hot gas to recognize. Coolant that flows through these openings takes on the one hand heat from the material; on the other hand, the cooler goes down Blow-out flow with appropriate arrangement and design of the Blow-out openings 21 as an insulating layer on the hot gas side 11 of the Blade, and partially isolates it from the hot gas flow 8.
  • Shape and size of the blow-out openings 21, as well as their distance from each other, are not essential to the invention, and the chosen representation should not be understood in a restrictive sense.
  • the top view of the blade shown in FIG. 2 shows one particularly well Material accumulation 141 in the area of the rear edge 14, and the interior 121 which narrows sharply near the rear edges Material accumulation is very likely to overheat.
  • the shovel very thin in this area.
  • the surface on the hot gas side 11 is in Trailing edge area much larger than the surface on the cold gas side 12.
  • such material accumulation is potentially developing large local temperature differences extremely strong Thermal stress cracks at risk. Because of the special geometric Boundary conditions in the rear edge area must literally remove the heat from the Material accumulation can be transported out.
  • a row of blow-out openings 22 along the trailing edge through this flowing coolant 7 takes heat from the Material accumulation 141 and transports it to the outside.
  • the blow-out openings 22 are heat sinks. Not too much for the temperature differences along the rear edge to allow it to grow and to avoid local overheating A certain maximum distance between the heat sinks exceed. As a rule of thumb for a design criterion, it is stated that the Distance between two blow-out openings 22 eight hydraulic diameters should not exceed a blow-out opening. This initially results in a large number of blow-out openings and thus in a large one Blow-out mass flow at the trailing edge of the blade.
  • a pin 23 made of a material with a high Thermal conductivity - this should be at least three times as high as that Thermal conductivity of the blade material - in the material accumulation 141 introduced, which serves as an additional heat sink.
  • Thermally conductive pin two to twenty pin diameter in the blade interior and has the best possible contact with the blade material.
  • the latter can be achieved by using the pins when casting the bucket be poured in. They must have a certain length in the Bucket material can be embedded without penetrating it, however, since it otherwise a harmful thermal bridge between the hot gas side 11 and the cold gas side 12 of the blade. It will turn out to be cheap prove if the pins are embedded at a depth in the blade material, which corresponds to between 30% and 80% of the total material thickness, whereby the cheapest measure in individual cases through a numerical simulation of the Heat flows will have to be determined.
  • the pins are arranged so that their longitudinal axes are more or less parallel to the exhaust openings run. Furthermore, it is favorable if a along the trailing edge of the blade Number of heat conducting pins and blow-out openings approximately in one flight are arranged. This proves to be particularly advantageous with regard to to ensure a good flow of coolant around the pins, which is a necessary condition for the function of the heat conducting pins as heat sinks represents.
  • the trailing edge blow-out openings induce 22 forced convection in the narrow cooling gap, and the heat-conducting pins are arranged by the Blow-out streams 7 flow around and cooled. It shows the close Interdependence of the rear edge blow-out and the heat conducting pins.
  • FIG. 3 A further preferred embodiment is shown in FIG. 3 two blow-out openings, two heat conducting pins. This will the coolant consumption compared to the geometry shown in FIG. 1 reduced again.
  • flow control devices 25 are also in Blade interior introduced that the blow-out air flow 7 on the Guide thermal pins. Such measures can of course also be used for one Fig. 1 corresponding configuration may be useful.
  • the pipe of the coolant to the rear edge can also by appropriate turbulators in the main cooling duct respectively.
  • the invention is advantageous at least when used on trailing blade edges make sure that the distance between two heat sinks is not greater is selected as eight hydraulic diameters of a rear edge blow-out opening.
  • the preferred one Cross-sectional area of the pins called between one and ten Cross-sectional areas of a blow-out opening.
  • the shape of the heat conducting pins can be varied within wide limits. So is for example, a round cross-section is not mandatory. Is appropriate however, in all circumstances, it extends along a longitudinal axis to choose significantly larger than the extension in the other directions.
  • the shape of the thermal pins is primarily due to the manufacturing method be determined, and a cylindrical pin is cut off by a Wire particularly easy to obtain. However, through the targeted Design, for example, of the part of the protruding into the coolant The flow around the pin as well as the heat exchange surface to be changed. Two examples of possible geometries are in FIGS. 4 and 5 shown.
  • the design shown in Fig. 4 holds the conical shape Flow cross section between the pin 23 and the cooling side Component walls 12 largely constant.
  • Consoles 231 enlarge the Heat exchange surface between the base material 141 and the Thermally conductive pin 23, and improve the fixation of the pin in the base material.
  • the corrugated design from FIG. 5 also increases the Heat exchange surface, both on the material and
  • FIG. 6 carries a Blade platform 3 a blade 1.
  • the entire configuration is from a hot gas flow 8 flows against.
  • the airfoil is on itself known cooled any way, cooling and coolant supply of the Airfoil are not considered in the figure.
  • In the hollow Blade platform flows in coolant 9, and strikes an impact cooling insert 31.
  • the coolant flows through openings in the impact cooling insert 32.
  • Coolant jets 91 hit the cold gas side 12 of the at high speed Platform where an intensive convection heat exchange takes place.
  • the coolant is subsequently discharged through blowout openings 22.
  • blow-out stream 7 along the line VII - VII well recognizable, essentially in an escape along the Platform leading edge heat-conducting pins 23 and blow-out openings 22 arranged alternately so that the blow-out stream 7 is only the Thermal conductors around and finally flows through the blow-out openings.
  • this top view is for the sake of clarity part of the Openings of the impact cooling insert are not shown.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

For the cooling of a gas turbine component, subject to high temps., the material of the component (141) has an alternating a of blower openings (22) for a coolant (9) and pins (23) with a high thermal conductivity, of metal or diamond, extending out of component on the cooling side (12). The projecting pins are cooled while heat is applied to the zones where the pins are embedde Through the alternating layout with the blower openings, the air flow (7) is ensured around the pins

Description

Technisches GebietTechnical field

Die vorliegende Erfindung betrifft ein kühlbares Bauteil gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a coolable component according to the Preamble of claim 1.

Stand der TechnikState of the art

Die effiziente Kühlung der thermisch hochbelasteten Bauteile einer Gasturbine ist eine unabdingbare Bedingung für den Betrieb der modernen Maschinen. Entsprechend haben sich die Kühlmethoden rasant weiterentwickelt.The efficient cooling of the thermally highly stressed components of a gas turbine is an indispensable condition for the operation of modern machines. Accordingly, the cooling methods have developed rapidly.

Die einfachste Form der Kühlung ist die Konvektionskühlung, bei der ein Kühlmedium eine Oberfläche eines Bauteils überströmt, und diesem Wärme entzieht, während eine andere Oberfläche mit einem Wärmeeintrag beaufschlagt wird. Nachteilig bei der Konvektionskühlung ist insbesondere, dass die gesamte abzuführende Wärme durch die Bauteilwand hindurch transportiert werden muss. Die mit dem Wärmeeintrag beaufschlagte Fläche ist auf einer wesentlich höheren Temperatur als die gekühlte Fläche. Zudem werden erhebliche Temperaturgradienten über Bauteilwände und damit auch Thermospannungen hervorgerufen. The simplest form of cooling is convection cooling, in which one Coolant flows over a surface of a component, and this heat deprives while another surface with a heat input is applied. A particular disadvantage of convection cooling is that that the entire heat to be dissipated through the component wall must be transported. The area exposed to the heat input is at a much higher temperature than the cooled surface. In addition become significant temperature gradients over component walls and thus Thermal stresses caused.

Lange Zeit wurde daher die aus US 3,527,543 bekannte Filmkühlung bevorzugt, bei der ein Kühlmittel - bevorzugt Luft, die aus dem Verdichter entnommen wird, oder Dampf - durch die Bauteilwand hindurch von einer Kaltgasseite zu der mit Heissgas beaufschlagten Heissgasseite strömt. Dabei nimmt das Kühlmittel einerseits Wärme aus dem Material auf, während es durch die Ausblaseöffnungen strömt. Zum anderen legt sich ein Film relativ kühlen Mediums über die Heissgasseite des Bauteils, und schützt diese vor dem unmittelbaren Kontakt mit dem heissen Medium. Verlegt man sich bei modernen Gasturbinen vollständig auf Filmkühlung, steigt der Kühlmittelverbrauch allerdings über die Masse an.The film cooling known from US 3,527,543 was therefore used for a long time preferred where a coolant - preferably air coming from the compressor is removed, or steam - through the component wall from one Cold gas side flows to the hot gas side to which hot gas is applied. Here On the one hand, the coolant absorbs heat from the material while it is flows through the blow-out openings. On the other hand, a film lays down relatively cool medium over the hot gas side of the component, and protects it from direct contact with the hot medium. You misplace yourself with modern gas turbines completely on film cooling, the Coolant consumption, however, by mass.

Die Entwicklung ist daher verstärkt in die Richtung gegangen, das Kühlmittel vor der Ausblasung zu einer effizienten Konvektionskühlung einzusetzen. Bei der Prallkühlung, die beispielsweise aus der DE 44 30 302 hervorgeht, trifft das Kühlmittel mit möglichst hoher Geschwindigkeit auf das zu kühlende Bauteil, wodurch der konvektive Wärmeübergang vom Bauteil zum Kühlmittel intensiviert wird. Die gute Kühlwirkung wird allerdings mit vergleichsweise hohen kühlungsseitigen Druckverlusten erkauft.The development has therefore increasingly moved in the direction of the coolant to be used for efficient convection cooling before blowing out. At the impingement cooling, which emerges, for example, from DE 44 30 302, does this Coolant at the highest possible speed on the component to be cooled, whereby the convective heat transfer from the component to the coolant is intensified. The good cooling effect is however comparatively bought high pressure losses on the cooling side.

Weiterhin ist die Prallkühlung nicht überall ohne weiteres einsetzbar. Probleme ergeben sich besonders im Bereich der Schaufelhinterkanten aufgrund der geometrischen Ausgestaltung. Andererseits ist gerade dort eine gute Kühlung des Materials notwendig, da die dem Heissgas ausgesetzte Oberfläche im Vergleich zur Materialstärke gross und die Oberfläche der Kaltgasseite hingegen verhältnismässig klein ist. Weiterhin zeigt sich in der Praxis, dass es tatsächlich sehr problematisch ist, in einer geschlossenen Struktur derart enge Spalte wie sie kühlungsseitig im Bereich der Hinterkante vorliegen, zu durchströmen. In diesem Bereich stossen die Innenwände des hohlen Bauteils unter einem spitzen Winkel aneinander, und die Strömungsgrenzschichten auf der Kühlseite wachsen zusammen. Die Strömungsgeschwindigkeit in dem engen Spalt wird sehr klein, und die Kühlmittelströmung wird in andere Teile des Bauteilinnenraums verdrängt. Der Verbesserung der konvektiven Kühlwirkung, sind also aufgrund der Verdrängungswirkung der Strömungsgrenzschichten enge Grenzen gesteckt.Furthermore, the impingement cooling cannot be used everywhere without further ado. Problems arise especially in the area of the blade trailing edges due to the geometric design. On the other hand, there is good cooling there of the material necessary because the surface exposed to the hot gas in the Large compared to the material thickness and the surface of the cold gas side however, is relatively small. Practice also shows that it is actually very problematic in such a closed structure Gaps as they exist on the cooling side in the area of the rear edge flow through. The inner walls of the hollow component abut in this area at an acute angle to each other, and the flow boundary layers on the cooling side grow together. The flow velocity in the narrow gap becomes very small, and the coolant flow becomes different of the interior of the component. Improving the convective Cooling effect, are therefore due to the displacement effect Flow boundary layers set narrow limits.

Die gängigste und sicherste Art der Kühlung von Schaufelhinterkanten zumindest luftgekühlter Gasturbinen, ist bis heute die Hinterkantenausblasung, die sich sehr stark an die Filmkühlung anlehnt, und oft etwas ungenau auch unter diesem Sammelbegriff mit eingeschlossen wird. Kühlmittel strömt hierbei durch eine Anzahl von Öffnungen in der Hinterkante aus, und nimmt dabei Wärme aus dem Material der Schaufel auf. Aufgrund des Einbringens der Ausblaseöffnungen in die Hinterkante wird eine Konvektion durch den engen Kühlungsspalt erzwungen, dergestalt, dass oben zitierte Verdrängungsphänomene nicht auftreten. Andererseits sollte der Mittenabstand zweier Kühlungsöffnungen an der Hinterkante klein sein, und acht hydraulische Durchmesser der Öffnungen möglichst nicht übersteigen. Mittels dieser Auslegungsrichtlinie wird dafür Sorge getragen, dass beim Einsatz üblicher Schaufelmaterialien die Temperaturvariation entlang der Schaufelhinterkante in einem vertretbaren Rahmen bleibt, und lokale Überhitzungserscheinungen vermieden werden. In der Summe aller Ausblaseöffnungen gibt eine Hinterkantenausblasung somit einen grossen Strömungsquerschnitt frei, und trägt einen erheblichen Anteil zum Verbrauch an Kühlmittel bei, den es im Interesse einer Wirkungsgradsteigerung zu minimieren gilt.The most common and safest way of cooling blade trailing edges at least air-cooled gas turbines, is still the trailing edge blowing, which is very much based on film cooling, and often a little inaccurate too is included under this collective term. Coolant flows here through a number of openings in the trailing edge, taking Heat from the material of the blade. Due to the introduction of the Blow out openings in the trailing edge will cause convection through the narrow Forced cooling gap, such that cited above Displacement phenomena do not occur. On the other hand, the Center distance between two cooling openings on the rear edge to be small, and If possible, do not exceed eight hydraulic diameters of the openings. This interpretation guideline ensures that the Use of conventional blade materials to measure the temperature variation along the Blade trailing edge remains within reasonable limits, and local Overheating can be avoided. In the sum of all Blow-out openings give a rear edge blow-out a large one Flow cross-section free, and contributes a significant proportion to consumption of coolant, which is there in the interest of increasing efficiency minimize applies.

Somit ergibt sich die Situation, dass aufgrund spezieller fluidmechanischer Bedingungen im Inneren einer Turbinenschaufel der Einsatz konvektiver Kühlmethoden zur Hinterkantenkühlung eingeschränkt ist. Die Hinterkantenausblasung hingegen hat über den Kühlmittelverbrauch negative Auswirkungen auf die Effizienz des Gasturbinen-Kreisprozesses.This results in the situation that due to special fluid mechanical Conditions inside a turbine blade use convective Cooling methods for rear edge cooling is restricted. The Rear edge blow-out, on the other hand, has negative effects on coolant consumption Effects on the efficiency of the gas turbine cycle.

In der DE 196 54 115 wird daher vorgeschlagen, bei der Kühlung von Schaufelhinterkanten auf die Hinterkantenausblasung zu verzichten, und statt dessen thermisch hochleitende Stifte in das Hinterkantenmaterial einzubringen, welche Stifte in das von Kühlmittel durchströmte Schaufelinnere hineinragen. Damit soll Wärme aus dem Hinterkantenmaterial heraus transportiert und an die Kühlluftströmung abgegeben werden. Die Stifte wirken in diesem Fall, wenn sie hinreichend gut von dem Kühlmittel gekühlt werden, als Wärmesenken in dem Basismaterial der Schaufel. Jedoch stellt sich hier ebenfalls das bereits diskutierte Problem, dass im Bereich der Hinterkante an den spitzwinklig zulaufenden Innenwänden die Strömungsgrenzschichten zusammenwachsen, und die Kühlströmung in andere Bereiche des Schaufelinnenraums verdrängt wird. Die Stifte erhöhen die Versperrung des Kühlkanals nochmals, und werden letztlich nicht im gewünschten Masse von der Kühlluft umströmt, dergestalt, dass der Wärmeübergang von den Stiften zum Kühlmedium eingeschränkt wird und eine suboptimale Wärmesenkenwirkung der Stifte resultiert.DE 196 54 115 therefore proposes the cooling of Bucket trailing edges to do without the trailing edge blow-out, and instead insert its thermally highly conductive pins into the trailing edge material, which pins protrude into the interior of the blade through which coolant flows. This is intended to transport heat to and from the trailing edge material the cooling air flow are released. The pins work in this case if they are cooled sufficiently well by the coolant as heat sinks in the base material of the shovel. However, this is already the case here discussed problem that in the area of the trailing edge at the acute angle tapering inner walls, the flow boundary layers grow together, and displaces the cooling flow into other areas of the blade interior becomes. The pins increase the blockage of the cooling channel again, and will ultimately, the cooling air does not flow around in the desired amount, that the heat transfer from the pins to the cooling medium is restricted and a sub-optimal heat sink effect of the pins results.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Hier greift die Erfindung. Bei einem kühlbaren Bauteil, bestehend aus einem Basismaterial, welches Bauteil im Betrieb auf einer Heissgasseite mit einem ersten strömenden Medium und auf einer Kaltgasseite mit einem zweiten strömenden Medium in Kontakt ist, wobei die Temperatur des ersten Mediums höher ist als die des zweiten Mediums, dergestalt, dass das Bauteil von dem ersten Medium erwärmt und von dem zweiten Medium gekühlt wird, und wobei das Basismaterial des Bauteils Stifte umschliesst, welche Stifte aus der Kaltgasseite heraus in die Strömung des zweiten Mediums hineinragen, und welche Stifte aus einem Material bestehen, dessen Wärmeleitfähigkeit grösser ist als diejenige des zur Herstellung des Bauteils verwendeten Basismaterials, dergestalt, dass die Stifte im Betrieb als Wärmesenken in dem Basismaterial wirken, soll der Wärmeübergang von den Stiften zum Kühlmedium verbessert werden. This is where the invention comes into play. For a coolable component consisting of a Base material, which component is in operation on a hot gas side with a first flowing medium and on a cold gas side with a second flowing medium is in contact, the temperature of the first medium is higher than that of the second medium, such that the component of the the first medium is heated and cooled by the second medium, and wherein the base material of the component encloses pins, which pins from the Cold gas side protrude into the flow of the second medium, and which pins are made of a material whose thermal conductivity is greater is that of the base material used to manufacture the component, such that the pins operate as heat sinks in the base material heat transfer should improve from the pins to the cooling medium become.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass das Bauteil Ausblaseöffnungen aufweist, durch welche im Betrieb mindestens ein Teil besagten zweiten Mediums von der Kaltgasseite zur Heissgasseite strömt, dergestalt, dass die Ausblaseöffnungen ebenfalls als Wärmesenken wirken, und dass entlang mindestens einer Linie auf der Kaltgasseite jeweils mindestens ein Stift und mindestens eine Öffnung angeordnet sind. Bei einem entsprechenden Druckgefälle zwischen den beiden Strömungsmedien resultiert aus der zusätzlichen Einbringung von Ausblaseöffnungen auch in einem engen Spalt eine erzwungene Konvektionsströmung, die Kühlmittel um die Stifte herumführt.According to the invention, this is achieved in that the component Has blow-out openings, through which at least part during operation said second medium flows from the cold gas side to the hot gas side, in such a way that the blow-out openings also act as heat sinks, and that along at least one line on the cold gas side each at least one pin and at least one opening are arranged. At a corresponding pressure drop between the two flow media results from the additional introduction of blow-out openings even in a narrow Split a forced convection flow, the coolant around the pins leads around.

Kern der Erfindung ist also einerseits, die Wärme anstatt über das durch die Ausblaseöffnungen hindurchströmendes Kühlmittel durch thermisch hochleitende Stifte aus dem Material herauszuführen, um somit den Kühlmittelverbrauch einzuschränken. Die Einschränkung des Kühlmittelverbrauchs hat gerade dann eine sehr positive Wirkung auf den Wirkungsgrad, wenn Verdichterluft zu Kühlzwecken verwendet wird. Zweckmässig werden die Stifte dabei entlang auf der Kaltgasseite verlaufender Fluchten angeordnet, analog zu der Anordnung der Ausblaseöffnungen bei der Filmkühlung. Andererseits verhindern die fluidmechanischen Randbedingungen in einem geschlossenen Kühlsystem innerhalb einer Komponente beispielsweise bei der Kühlung einer Schaufelhinterkante einen guten konvektiven Wärmeübergang von den Stiften zum Kühlmittel, was aber eine Bedingung für die Funktion der Kühlvorrichtung ist. Daher werden zwischen den Wärmeleitstiften Ausblaseöffnungen eingebracht, die ihrerseits einen Teil der Kühlung übernehmen, andererseits aber für eine gute Umströmung der Stifte und für eine Abfuhr des konvektiv erwärmten Kühlmittels sorgen. Dabei wird die Kühlwirkung sogar noch über das Mass jeder einzelnen für sich betrachteten Kühlungsmethode gesteigert, weil die Stifte in Ihrer Längsrichtung wie auch radial intensiv umströmt werden. Die Wirkung kann noch verbessert werden, wenn auf der Kaltgasseite angeordnete Leiteinrichtungen das zu den Ausblaseöffnungen strömende Kühlmittel über die Wärmeleitstifte lenken. The essence of the invention is, on the one hand, the heat instead of through the Coolant flowing through blow-out openings through thermal to lead highly conductive pins out of the material, so that the Limit coolant consumption. The limitation of Coolant consumption has a very positive effect on the Efficiency when compressor air is used for cooling purposes. The pins are expediently running along the cold gas side Alignments arranged, analogous to the arrangement of the blow-out openings in the Film cooling. On the other hand, the fluid mechanical constraints prevent in a closed cooling system within a component a good one, for example, when cooling a trailing edge of a blade convective heat transfer from the pins to the coolant, but what a The condition for the function of the cooling device is. Therefore, between Blow-out openings are introduced into the heat conducting pins, which in turn are part the cooling, but on the other hand for a good flow around the Pins and ensure that the convectively heated coolant is removed. Here the cooling effect is even beyond the measure of each individual considered cooling method increased because the pins are in their longitudinal direction as well as radially intensive flow. The effect can be improved become, if arranged on the cold gas side control devices to the Discharge the coolant flowing through the heat conducting pins.

Bei Einsatz der erfindungsgemässen Kühlkonfiguration werden also weniger Öffnungen benötigt, als bei der reinen Kühlung durch Ausblasung, wodurch der Verbrauch an Kühlmittel gesenkt wird. Da andererseits die Wärmeleitstifte dem Material Wärme entziehen, die Wärmesenkenverteilung im Bauteil also konstant gehalten wird, wird die Temperaturverteilung im Bauteil nicht ungleichmässiger.When using the cooling configuration according to the invention, fewer are used Openings are required than in the case of pure cooling by means of blowing, which means Coolant consumption is reduced. On the other hand, since the thermal pins Extract heat from the material, i.e. the heat sink distribution in the component is kept constant, the temperature distribution in the component is not more uneven.

Die Anordnung von Ausblaseöffnungen und Wärmeleitstiften kann nach unterschiedlichen Kriterien erfolgen, und wird im Einzelfall natürlich eine detaillierte Berechnung der Temperaturverteilungen in der Maschinenkomponente erfordern. Für die geometrische Anordnung der Stifte und Öffnungen relativ zueinander wird es sich als geeignet erweisen, eine Anzahl von abwechselnd angeordneten Stiften und Öffnungen in einer Flucht anzuordnen, analog der Anordnung der Ausblaseöffnungen in Reihen. Für einen minimierten Kühlmittelverbrauch wird sich wohl die abwechselnde Anordnung von je zwei Stiften und einer Ausblaseöffnung geeignet erweisen, wobei die Öffnung zweckmässig mittig zwischen zwei Stiften angeordnet ist. Zur Erzielung einer möglichst homogenen Temperaturverteilung wird hingegen die abwechselnde Anordnung von je einem Stift und einer Öffnung zu bevorzugen sein. Eine äquidistante Anordnung von Stiften und Öffnungen wird dabei in den allermeisten Fällen ebenfalls dazu beitragen, die Temperaturdifferenzen innerhalb des Bauteils bei einem vorgegebenen Gesamtausblasequerschnitt zu minimieren. Es wird im Sinne einer gleichmässigen Temperaturverteilung in der wie beschrieben zu kühlenden Sektion des Bauteils sein, wenn der Abstand zwischen zwei Wärmesenken nicht mehr als acht hydraulische Durchmesser einer Ausblaseöffnung beträgt. Im gleichen Zusammenhang sollten die Stifte mit ihren Längsachsen mehr oder weniger parallel zu den Ausblaseöffnungen angeordnet sein, damit der Wärmefluss stets in die gleiche Richtung verläuft. The arrangement of blow-out openings and heat conducting pins can be according to different criteria, and in individual cases will of course be one detailed calculation of the temperature distributions in the Require machine component. For the geometric arrangement of the pens and openings relative to each other, it will prove appropriate to use one Number of alternately arranged pins and openings in one flight to be arranged, analogous to the arrangement of the blow-out openings in rows. For a minimized coolant consumption will probably be the alternating one Arrangement of two pins and one blow-out opening prove suitable, the opening is expediently arranged centrally between two pins. In order to achieve the most homogeneous possible temperature distribution, on the other hand, the alternating arrangement of one pin and one opening each prefer to be. An equidistant arrangement of pins and openings will in most cases also contribute to the Temperature differences within the component at a given To minimize the overall blow-out cross-section. It becomes in the sense of a even temperature distribution in the one to be cooled as described Section of the component be when the distance between two heat sinks is not more than eight hydraulic diameters of a blow-out opening. In the same context, the pins with their longitudinal axes should more or be arranged less parallel to the blow-out openings, so that the Heat flow always runs in the same direction.

Um den angestrebten Effekt zu erzielen, muss die Wärmeleitfähigkeit des Materials, aus dem die Stifte bestehen, möglichst hoch sein, und wenigstens den dreifachen Wert des Basismaterials aufweisen. Auch der Schmelzpunkt des Werkstoffs muss selbstverständlich hinreichend hoch sein. Werkstoffe, die für die Herstellung der Wärmeleitstifte in Frage kommen, sind beispielsweise Wolfram, Silber, oder ganz besonders Diamant. Die Stifte müssen einen möglichst guten Wärmeübergang zum Basismaterial haben, was sich dadurch realisieren lässt, dass sie in den Bauteilen mit eingegossen werden. Dabei sollten sie aber keinesfalls die komplette Materialstärke des Bauteils von der Kaltgasseite bis zur Heissgasseite durchdringen, um keine nachteilige Wärmebrücke entstehen zu lassen. Mit Vorteil werden die Stifte so tief in das Basismaterial eingebracht, wie es 30% bis 80% der Materialstärke entspricht. Dies gewährleistet einerseits eine grosse Wärmeaustauschfläche, andererseits wird die Bildung thermischer Brücken vermieden. Weiterhin müssen die Wärmeleitstifte selbstverständlich um ein gewisses axiales Mass in das Kühlmittel hineinragen.To achieve the desired effect, the thermal conductivity of the Material from which the pins are made, as high as possible, and at least have three times the value of the base material. The melting point too the material must of course be sufficiently high. Materials that are suitable for the production of the thermal pins, for example Tungsten, silver, or especially diamond. The pens have to be one have the best possible heat transfer to the base material, which is what realizes that they are cast in the components. Here However, should you under no circumstances remove the complete material thickness of the component from the Penetrate the cold gas side to the hot gas side to avoid any disadvantage To create thermal bridges. Advantageously, the pens are so deep in that Base material introduced, as it corresponds to 30% to 80% of the material thickness. On the one hand, this ensures a large heat exchange surface, on the other hand the formation of thermal bridges is avoided. Furthermore, the Thermal pins of course by a certain axial dimension in the Protect the coolant.

Wie einleitend dargestellt, entfaltet die erfindungsgemässe Kühlungskonfiguration ihre spezifischen Vorteile ganz besonders beim Einsatz in hohlen Bauteilen, in deren Innerem die Durchströmung eines Kühlmediums vorgesehen ist, und zwar insbesondere dort, wo Bauteilwände in einem spitzen Winkel zusammenstossen. Diese Konfiguration findet sich insbesondere an den Hinterkanten von Gasturbinenschaufeln.As shown in the introduction, the invention unfolds Cooling configuration their specific advantages, especially when used in hollow components, inside of which the flow of a cooling medium is provided, in particular where component walls are pointed Collide angles. This configuration can be found in particular the trailing edges of gas turbine blades.

Die erfindungsgemässe Kühlkonfiguration ist weiterhin bei der Kühlung von Schaufelplattformen vorteilhaft einzusetzen. Dort helfen die Stifte einerseits, Wärme aus den sehr massiv gebauten Plattformen abzuführen, ohne den Kühlluftverbrauch über die Massen ansteigen zu lassen. Hierbei kann die erfindungsgemässe Kühlkonfiguration mit Vorteil auch mit einer Prallkühlung kombiniert werden The cooling configuration according to the invention is also used for the cooling of Advantageously to use blade platforms. On the one hand, the pens help Dissipate heat from the very solidly built platforms without the To allow cooling air consumption to rise above the masses. Here, the Cooling configuration according to the invention advantageously also with impingement cooling be combined

Kurze Beschreibung der ZeichnungBrief description of the drawing

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Im einzelnen zeigen

  • Fig. 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zur Kühlung der Hinterkante einer Gasturbinenschaufel
  • Fig. 2 eine Draufsicht auf die in Fig. 1 dargestellte Gasturbinenschaufel
  • Fig. 3 eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zur Kühlung der Hinterkante einer Gasturbinenschaufel
  • Fig. 4 und 5 Beispiele für mögliche Varianten der Gestaltung der Wärmeleitstifte
  • Fig. 6 ein weiteres Beispiel für die Anwendung der Erfindung bei der Kühlung einer Plattformkante, und Fig. 7 einen Schnitt entlang der in Fig. 6 eingezeichneten Linie VII - VII.
The invention will be explained below with reference to exemplary embodiments shown in the drawing. Show in detail
  • Fig. 1 shows a first preferred embodiment of the invention for cooling the rear edge of a gas turbine blade
  • Fig. 2 is a plan view of the gas turbine blade shown in Fig. 1
  • Fig. 3 shows a further preferred embodiment of the invention for cooling the rear edge of a gas turbine blade
  • 4 and 5 examples of possible variants of the design of the heat-conducting pins
  • 6 shows a further example of the application of the invention for cooling a platform edge, and FIG. 7 shows a section along the line VII-VII shown in FIG. 6.

Die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele sind lediglich instruktiver Natur, und sollen nicht zu einer Eingrenzung des Erfindungsgegenstandes dienen. Die Erfindung ist weder durch die dargestellten speziellen Ausführungsformen noch durch die Anwendungen, in deren Zusammenhang sie nachfolgend dargestellt wird, abgegrenzt, sondern im Gegenteil werden dem Durchschnittsfachmann durch die folgenden Beispiele eine Vielzahl weiterer Anwendungsmöglichkeiten und Ausgestaltungsformen der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung offenbart. The exemplary embodiments shown in the drawing are merely instructive in nature, and are not intended to limit the Serve subject of the invention. The invention is not by represented special embodiments still by the applications in whose context it is shown below, delimited, but on the contrary, the average person skilled in the art by the following Examples of a variety of other applications and Embodiments of the invention characterized in the claims disclosed.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention

Eine erste bevorzugte Ausführung der Erfindung ist in zwei Ansichten in den Figuren 1 und 2 dargestellt. Die hohlgegossene Turbinenschaufel wird im Betrieb von einer Heissgasströmung 8 umströmt, die einen Wärmeeintrag über die Heissgasseite 11 in das Material der Schaufel hinein verursacht. Bei heutigen Gasturbinen übersteigt die Temperatur des Heissgases die bei einer gegebenen mechanischen Belastung erlaubte Materialtemperatur erheblich. Daher kann die Funktion einer solchen Turbinenschaufel nur durch eine hinreichend gute Kühlung gewährleistet werden. Aus diesem Grund wird die Schaufel von Ihrer Kaltgasseite 12 her durch das Kühlmittel 9 gekühlt. Im Schaufelinneren können unterschiedliche Einbauten vorhanden sein, wie Prallkühlbleche, oder Stege zur Führung des Kühlmittels auf der Kaltgasseite.A first preferred embodiment of the invention is in two views in the Figures 1 and 2 shown. The hollow cast turbine blade is in the Operation flows around from a hot gas flow 8, which has a heat input causes the hot gas side 11 into the material of the blade. At today's gas turbines, the temperature of the hot gas exceeds that of a material temperature allowed given the mechanical load considerably. The function of such a turbine blade can therefore only be achieved by one sufficient cooling can be guaranteed. For this reason, the Blade cooled from its cold gas side 12 by the coolant 9. in the Different internals can be present, such as Baffle cooling plates, or webs for guiding the coolant on the cold gas side.

Zur Nomenklatur sei angemerkt, dass in der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen zwar aus Gründen der Einfachheit auf die Begriffe "Kaltgasseite" und "Heissgasseite" zurückgegriffen wird. Es muss jedoch wohl verstanden werden, dass dies tatsächlich keine Einschränkung bedeutet, und Fälle explizit nicht ausschliesst, in denen die Bauteiloberflächen von nicht gasförmigen Medien überströmt werden. Es geht vielmehr darum, einfache, prägnante und dem Fachmann geläufige Begriffe zu verwenden, aus denen er versteht, dass eine Oberfläche mit einem ersten Medium in Kontakt steht, eine zweite Oberfläche mit einem anderen Medium in Kontakt steht, welche Medien sich auf unterschiedlichen Temperaturen befinden, und wobei der Fachmann sofort den Schluss zieht, wo sich das relativ wärmere respektive kältere Medium befindet. Ebensowenig schliesst die Bezeichnung "Heissgasströmung" eine Strömung eines nicht gasförmigen Mediums hoher Temperatur explizit aus. Des weiteren entnimmt der Fachmann dem Zusammenhang ohne weiteres die Bedeutung der relativen Begriffe "heiss" und "kalt".Regarding the nomenclature, it should be noted that in the present description and the claims for the sake of simplicity to the terms "Cold gas side" and "Hot gas side" is used. However, it must be be understood that this is in fact not a limitation, and Explicitly does not rule out cases in which the component surfaces of not gaseous media are flooded. It's more about simple, to use concise and familiar terms from which he understands that a surface is in contact with a first medium, one second surface is in contact with another medium, which media are at different temperatures, and the expert immediately draws the conclusion where the relatively warmer or colder Medium is located. Nor does the term "hot gas flow" a flow of a non-gaseous medium of high temperature explicitly out. Furthermore, the person skilled in the art takes the context without further the meaning of the relative terms "hot" and "cold".

Auf der Oberfläche der Schaufel sind Reihen von Ausblaseöffnungen 21 auf wesentlich normal zur Strömungsrichtung des Heissgases verlaufenden Linien zu erkennen. Kühlmittel, das durch diese Öffnungen hindurchströmt, nimmt einerseits Wärme aus dem Material auf; andererseits legt sich die kühlere Ausblaseströmung bei zweckmässiger Anordnung und Gestaltung der Ausblaseöffnungen 21 als isolierende Schicht über die Heissgasseite 11 der Schaufel, und isoliert diese teilweise gegen die Heissgasströmung 8.Rows of blow-out openings 21 are on the surface of the blade lines running normal to the direction of flow of the hot gas to recognize. Coolant that flows through these openings takes on the one hand heat from the material; on the other hand, the cooler goes down Blow-out flow with appropriate arrangement and design of the Blow-out openings 21 as an insulating layer on the hot gas side 11 of the Blade, and partially isolates it from the hot gas flow 8.

Form und Grösse der Ausblaseöffnungen 21, wie auch deren Abstand voneinander, sind nicht erfindungswesentlich, und die gewählte Darstellung darf keinesfalls in einem einschränkenden Sinne verstanden werden.Shape and size of the blow-out openings 21, as well as their distance from each other, are not essential to the invention, and the chosen representation should not be understood in a restrictive sense.

Die in Fig. 2 dargestellte Draufsicht auf die Schaufel zeigt besonders gut eine Materialanhäufung 141 im Bereich der Hinterkante 14, sowie den hinterkantennah sich stark verengenden Innenraum 121. Diese Materialanhäufung ist stark überhitzungsgefährdet. Einerseits ist die Schaufel in diesem Bereich sehr dünn. Die Oberfläche auf der Heissgasseite 11 ist im Hinterkantenbereich wesentlich grösser als die Oberfläche auf der Kaltgasseite 12. Zudem ist eine solche Materialanhäufung mit potentiell sich ausbildenden grossen lokalen Temperaturdifferenzen extrem stark durch Wärmespannungsrisse gefährdet. Aufgrund der speziellen geometrischen Randbedingungen im Hinterkantenbereich muss die Wärme förmlich aus der Materialanhäufung heraustransportiert werden. Hierzu dient einerseits eine entlang der Hinterkante angeordnete Reihe von Ausblaseöffnungen 22. Eine durch diese hindurchströmende Kühlmittelmenge 7 nimmt Wärme aus der Materialanhäufung 141 auf und transportiert diese nach aussen ab. So gesehen, handelt es sich bei den Ausblaseöffnungen 22 um Wärmesenken. Um die Temperaturdifferenzen entlang der Hinterkante nicht zu stark anwachsen zu lassen und lokale Überhitzungen zu vermeiden, darf der Abstand zwischen den Wärmesenken ein gewisses Höchstmass nicht überschreiten. Als Faustregel für ein Designkriterium wird angegeben, dass der Abstand zwischen zwei Ausblaseöffnungen 22 acht hydraulische Durchmesser einer Ausblaseöffnung nicht überschreiten sollte. Dies resultiert zunächst in einer grossen Anzahl von Ausblaseöffnungen und damit in einem grossen Ausblasemassenstrom an der Schaufelhinterkante.The top view of the blade shown in FIG. 2 shows one particularly well Material accumulation 141 in the area of the rear edge 14, and the interior 121 which narrows sharply near the rear edges Material accumulation is very likely to overheat. On the one hand is the shovel very thin in this area. The surface on the hot gas side 11 is in Trailing edge area much larger than the surface on the cold gas side 12. In addition, such material accumulation is potentially developing large local temperature differences extremely strong Thermal stress cracks at risk. Because of the special geometric Boundary conditions in the rear edge area must literally remove the heat from the Material accumulation can be transported out. On the one hand, a row of blow-out openings 22 along the trailing edge through this flowing coolant 7 takes heat from the Material accumulation 141 and transports it to the outside. So seen, the blow-out openings 22 are heat sinks. Not too much for the temperature differences along the rear edge to allow it to grow and to avoid local overheating A certain maximum distance between the heat sinks exceed. As a rule of thumb for a design criterion, it is stated that the Distance between two blow-out openings 22 eight hydraulic diameters should not exceed a blow-out opening. This initially results in a large number of blow-out openings and thus in a large one Blow-out mass flow at the trailing edge of the blade.

Um dies zu vermeiden, wird erfindungsgemäss zwischen jeweils zwei Ausblaseöffnungen 22 an der Hinterkante wenigstens - in diesem ersten Beispiel genau - ein Stift 23 aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit - diese sollte mindestens dreimal so hoch sein wie die Wärmeleitfähigkeit des Schaufelmaterials - in die Materialanhäufung 141 eingebracht, der als zusätzliche Wärmesenke dient. Vorzugsweise ragt jeder Wärmeleitstift zwei bis zwanzig Stiftdurchmesser in den Schaufelinnenraum hinein, und hat einen möglichst guten Kontakt zu dem Schaufelmaterial. Letzteres kann realisiert werden, indem die Stifte beim Guss der Schaufel mit eingegossen werden. Dabei müssen sie auf einer gewissen Länge im Schaufelmaterial eingebettet sein, ohne dieses jedoch zu durchdringen, da sie ansonsten eine schädliche thermische Brücke zwischen der Heissgasseite 11 und der Kaltgasseite 12 der Schaufel herstellen. Es wird sich als günstig erweisen, wenn die Stifte auf einer Tiefe im Schaufelmaterial eingebettet sind, die zwischen 30% und 80% der gesamten Materialstärke entspricht, wobei das günstigste Mass im Einzelfall durch eine numerische Simulation der Wärmeflüsse zu bestimmen sein wird.To avoid this, according to the invention between two Blow-out openings 22 at least on the rear edge - in this first Exact example - a pin 23 made of a material with a high Thermal conductivity - this should be at least three times as high as that Thermal conductivity of the blade material - in the material accumulation 141 introduced, which serves as an additional heat sink. Preferably everyone sticks out Thermally conductive pin two to twenty pin diameter in the blade interior and has the best possible contact with the blade material. The latter can be achieved by using the pins when casting the bucket be poured in. They must have a certain length in the Bucket material can be embedded without penetrating it, however, since it otherwise a harmful thermal bridge between the hot gas side 11 and the cold gas side 12 of the blade. It will turn out to be cheap prove if the pins are embedded at a depth in the blade material, which corresponds to between 30% and 80% of the total material thickness, whereby the cheapest measure in individual cases through a numerical simulation of the Heat flows will have to be determined.

Im Sinne einer günstigen Temperaturverteilung sind die Stifte so angeordnet, dass ihre Längsachsen mehr oder weniger parallel zu den Ausblaseöffnungen verlaufen. Weiterhin ist es günstig, wenn entlang der Schaufelhinterkante eine Anzahl von Wärmeleitstiften und Ausblaseöffnungen annähernd in einer Flucht angeordnet sind. Dies erweist sich insbesondere im Hinblick darauf als günstig, eine gute Umströmung der Stifte durch Kühlmittel zu gewährleisten, was ja eine notwendige Bedingung für die Funktion der Wärmeleitstifte als Wärmesenken darstellt.In the sense of a favorable temperature distribution, the pins are arranged so that their longitudinal axes are more or less parallel to the exhaust openings run. Furthermore, it is favorable if a along the trailing edge of the blade Number of heat conducting pins and blow-out openings approximately in one flight are arranged. This proves to be particularly advantageous with regard to to ensure a good flow of coolant around the pins, which is a necessary condition for the function of the heat conducting pins as heat sinks represents.

Hier ist es tatsächlich so, dass die Kühlluftströmung 9 auf der Kaltgasseite 12 der Schaufelwände Grenzschichten aufbaut, und dass die Grenzschichten, die an gegenüberliegenden Wänden aufgebaut werden, in dem schmalen Kanal im Hinterkantenbereich zusammenlaufen, und die Kühlmittelströmung 9 aus diesem Bereich des Schaufelinnenraums 121 verdrängen. Die Verdrängungswirkung wird durch die Stifte noch verstärkt. Bei einer Anordnung, wie sie die DE 194 54 115 vorschlägt, ist aus diesem Grunde der konvektive Wärmeübergang zwischen den Wärmeleitstiften und dem Kühlmittel eher gering, wodurch die Wärmeleitstifte ihre Funktion als Wärmesenken in der Schaufelhinterkante suboptimal verrichten.It is actually the case here that the cooling air flow 9 on the cold gas side 12 of the bucket walls builds boundary layers, and that the boundary layers that be built on opposite walls in the narrow channel in the Converge trailing edge area, and the coolant flow 9 from displacing this area of the blade interior 121. The Displacement is further enhanced by the pins. At a For this reason, the arrangement as proposed by DE 194 54 115 is convective heat transfer between the thermal pins and the coolant rather low, which makes the thermal pins function as heat sinks in the Perform the rear edge of the bucket less than optimally.

Bei der hier vorgeschlagenen Konfiguration induzieren die Hinterkanten-Ausblaseöffnungen 22 eine erzwungene Konvektion in dem engen Kühlspalt, und die Wärmeleitstifte werden bei geeigneter Anordnung von den Ausblaseströmen 7 umströmt und gekühlt. Es zeigt sich hier die enge Interdependenz der Hinterkantenausblasung und der Wärmeleitstifte.In the configuration proposed here, the trailing edge blow-out openings induce 22 forced convection in the narrow cooling gap, and the heat-conducting pins are arranged by the Blow-out streams 7 flow around and cooled. It shows the close Interdependence of the rear edge blow-out and the heat conducting pins.

Eine weiter bevorzugte Ausführungsform zeigt Fig. 3. Dabei sind zwischen jeweils zwei Ausblaseöffnungen zwei Wärmeleitstifte angeordnet. Dadurch wird der Kühlmittelverbrauch gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Geometrie nochmals verringert. In Fig. 3 sind weiterhin Strömungsleiteinrichtungen 25 im Schaufelinneren eingebracht, die den Ausblaseluftstrom 7 über die Wärmeleitstifte führen. Derartige Massnahmen können natürlich auch bei einer Fig. 1 entsprechenden Konfiguration sinnvoll sein. Die Leitung des Kühlmittels zur Hinterkante kann auch durch entsprechende Turbulatoren im Haupt-Kühlkanal erfolgen.A further preferred embodiment is shown in FIG. 3 two blow-out openings, two heat conducting pins. This will the coolant consumption compared to the geometry shown in FIG. 1 reduced again. In Fig. 3 flow control devices 25 are also in Blade interior introduced that the blow-out air flow 7 on the Guide thermal pins. Such measures can of course also be used for one Fig. 1 corresponding configuration may be useful. The pipe of the coolant to the rear edge can also by appropriate turbulators in the main cooling duct respectively.

Unabhängig von der gewählten spezifischen Konfiguration bei der Ausführung der Erfindung ist zumindest beim Einsatz an Schaufelhinterkanten mit Vorteil darauf zu achten, dass der Abstand zwischen zwei Wärmesenken nicht grösser gewählt wird als acht hydraulische Durchmesser einer Hinterkanten-Ausblaseöffnung. In diesem Zusammenhang sei noch die bevorzugte Querschnittsfläche der Stifte genannt, die zwischen ein und zehn Querschnittsflächen einer Ausblaseöffnung liegt. Regardless of the specific configuration chosen during execution The invention is advantageous at least when used on trailing blade edges make sure that the distance between two heat sinks is not greater is selected as eight hydraulic diameters of a rear edge blow-out opening. In this context, the preferred one Cross-sectional area of the pins called between one and ten Cross-sectional areas of a blow-out opening.

Die Form der Wärmeleitstifte kann in weiten Grenzen variiert werden. So ist beispielsweise ein runder Querschnitt keineswegs zwingend. Zweckmässig ist es jedoch unter allen Umständen, die Erstreckung entlang einer Längsachse deutlich grösser als die Erstreckung in den anderen Richtungen zu wählen. Die Form der Wärmeleitstifte wird in erster Linie durch die Fertigungsmethode bestimmt sein, und ein zylinderförmiger Stift ist durch Abschneiden eines Drahtes besonders leicht erhältlich. Jedoch können durch die gezielte Gestaltung beispielsweise des in das Kühlmittel hineinragenden Teils des Stiftes die Umströmung des Stiftes wie auch die Wärmeaustauschfläche verändert werden. Zwei Beispiele für mögliche Geometrien sind in Fig. 4 und 5 dargestellt. Die in Fig. 4 gezeigte Bauform hält durch die konische Form den Durchströmquerschnitt zwischen dem Stift 23 und den kühlungsseitigen Bauteilwänden 12 weitgehend konstant. Konsolen 231 vergrössern die Wärmeaustauschfläche zwischen dem Basismaterial 141 und dem Wärmeleitstift 23, und verbessern die Fixierung des Stiftes im Basismaterial. Die gewellte Bauform aus Fig. 5 vergrössert ebenfalls die Wärmeaustauschfläche, sowohl material- als auch kühlmittelseitig.The shape of the heat conducting pins can be varied within wide limits. So is for example, a round cross-section is not mandatory. Is appropriate however, in all circumstances, it extends along a longitudinal axis to choose significantly larger than the extension in the other directions. The The shape of the thermal pins is primarily due to the manufacturing method be determined, and a cylindrical pin is cut off by a Wire particularly easy to obtain. However, through the targeted Design, for example, of the part of the protruding into the coolant The flow around the pin as well as the heat exchange surface to be changed. Two examples of possible geometries are in FIGS. 4 and 5 shown. The design shown in Fig. 4 holds the conical shape Flow cross section between the pin 23 and the cooling side Component walls 12 largely constant. Consoles 231 enlarge the Heat exchange surface between the base material 141 and the Thermally conductive pin 23, and improve the fixation of the pin in the base material. The corrugated design from FIG. 5 also increases the Heat exchange surface, both on the material and coolant side.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, Fig. 6, trägt eine Schaufelplattform 3 ein Schaufelblatt 1. Die gesamte Konfiguration wird von einer Heissgasströmung 8 angeströmt. Das Schaufelblatt wird auf an sich bekannte beliebige Weise gekühlt, wobei Kühlung und Kühlmittelzuführung des Schaufelblattes in der Figur nicht berücksichtigt sind. In die hohle Schaufelplattform strömt Kühlmittel 9 ein, und trifft auf einen Prallkühleinsatz 31. Das Kühlmittel strömt durch Öffnungen des Prallkühleinsatzes 32. Kühlmitteljets 91 treffen mit hoher Geschwindigkeit auf die Kaltgasseite 12 der Plattform, wo ein intensiver Konvektionswärmeaustausch stattfindet. Nachfolgend wird das Kühlmittel durch Ausblaseöffnungen 22 abgeführt. Wiederum sind, wie in dem in Fig. 7 dargestellten Schnitt entlang der Linie VII - VII gut zu erkennen, wesentlich in einer Flucht entlang der Plattformvorderkante Wärmeleitstifte 23 und Ausblaseöffnungen 22 abwechselnd angeordnet, so, dass der Ausblasestrom 7 erst die Wärmeleitstifte um- und schliesslich die Ausblaseöffnungen durchströmt. In dieser Draufsicht ist im Übrigen aus Gründen der Übersichtlichkeit ein Teil der Öffnungen des Prallkühleinsatzes nicht dargestellt.In a further preferred embodiment, FIG. 6, carries a Blade platform 3 a blade 1. The entire configuration is from a hot gas flow 8 flows against. The airfoil is on itself known cooled any way, cooling and coolant supply of the Airfoil are not considered in the figure. In the hollow Blade platform flows in coolant 9, and strikes an impact cooling insert 31. The coolant flows through openings in the impact cooling insert 32. Coolant jets 91 hit the cold gas side 12 of the at high speed Platform where an intensive convection heat exchange takes place. The coolant is subsequently discharged through blowout openings 22. Again, as in the section shown in FIG. 7 along the line VII - VII well recognizable, essentially in an escape along the Platform leading edge heat-conducting pins 23 and blow-out openings 22 arranged alternately so that the blow-out stream 7 is only the Thermal conductors around and finally flows through the blow-out openings. In this top view is for the sake of clarity part of the Openings of the impact cooling insert are not shown.

Selbstverständlich kann auch die erfindungsgemässe Kühlung der Plattformkante mit den oben angegebenen Merkmalen, wie der Form der Wärmeleitstifte oder den Strömungsleiteinrichtungen, kombiniert werden. Weiterhin bleibt zu erwähnen, dass die im Ausführungsbeispiel in Fig. 6 und 7 dargestellte Prallkühlung fakultativ ist, wenn sie auch zweckmässig dazu beiträgt, das Kühlmittel besonders effizient auszunutzen.Of course, the cooling of the invention Platform edge with the features specified above, such as the shape of the Thermal pins or the flow control devices can be combined. It should also be mentioned that in the exemplary embodiment in FIGS. 6 and 7 Impact cooling shown is optional, if it is also appropriate helps to use the coolant particularly efficiently.

Auf analoge Weise offenbart sich dem Fachmann eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten und speziellen Ausgestaltungen der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung, die nicht durch die Ausführungsbeispiele eingeschränkt ist.In a similar manner, a multitude of Possible applications and special configurations of the Claims characterized invention, not by the Embodiments is limited.

BezugszeichenlisteReference list

11
SchaufelblattAirfoil
33rd
SchaufelplattformBucket platform
77
AusblaseströmungBlow-out flow
88th
HeissgasströmungHot gas flow
99
KühlmittelströmungCoolant flow
1111
HeissgasseiteHot gas side
1212th
KaltgasseiteCold gas side
1414
HinterkanteTrailing edge
2121
AusblaseöffnungenBlow out openings
2222
AusblaseöffnungenBlow out openings
2323
Wärmeleitstift Thermal pin
2525th
StrömungsleiteinrichtungFlow control device
3131
PrallkühlblechBaffle plate
3232
PrallkühlöffnungBaffle cooling opening
9191
Jetjet
121121
SchaufelinnenraumBucket interior
141141
Hinterkanten-BasismaterialTrailing edge base material
231231
Konsoleconsole

Claims (13)

Kühlbares Bauteil, bestehend aus einem Basismaterial, welches Bauteil im Betrieb auf einer Heissgasseite (11) mit einem ersten strömenden Medium (8) und auf einer Kaltgasseite (12) mit einem zweiten strömenden Medium (9) in Kontakt ist, wobei die Temperatur des ersten Mediums höher ist als die des zweiten Mediums, dergestalt, dass das Bauteil von dem ersten Medium erwärmt und von dem zweiten Medium gekühlt wird, und wobei das Basismaterial des Bauteils Stifte (23) umschliesst, welche Stifte aus der Kaltgasseite (12) heraus in die Strömung des zweiten Mediums hineinragen, und welche Stifte aus einem Material bestehen, dessen Wärmeleitfähigkeit grösser ist als diejenige des zur Herstellung des Bauteils verwendeten Basismaterials, dergestalt, dass die Stifte im Betrieb als Wärmesenken in dem Basismaterial wirken, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil Ausblaseöffnungen (22) aufweist, durch welche im Betrieb mindestens ein Teil (7) besagten zweiten Mediums von der Kaltgasseite zur Heissgasseite strömt, dergestalt, dass die Ausblaseöffnungen ebenfalls als Wärmesenken wirken, und dass entlang mindestens einer Linie auf der Kaltgasseite jeweils mindestens ein Stift und mindestens eine Öffnung abwechselnd angeordnet sind.Coolable component, consisting of a base material, which component in the Operation on a hot gas side (11) with a first flowing medium (8) and on a cold gas side (12) with a second flowing medium (9) is in contact, the temperature of the first medium being higher than that of the second medium, such that the component from the first Medium is heated and cooled by the second medium, and wherein the Base material of the component pins (23) encloses which pins from the Cold gas side (12) out into the flow of the second medium protrude, and which pins are made of a material whose Thermal conductivity is greater than that for manufacturing the component used base material, such that the pins in operation as Heat sinks act in the base material, characterized in that the component has blow-out openings (22) through which in operation at least a part (7) of said second medium from the cold gas side to Hot gas side flows in such a way that the blow-out openings also as Heat sinks act, and that along at least one line on the Cold gas side at least one pin and at least one opening are arranged alternately. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Anzahl von abwechselnd angeordneten Stiften und Öffnungen in einer Flucht angeordnet sind.Coolable component according to claim 1, characterized in that at least a number of alternately arranged pins and Openings are arranged in alignment. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte aus einem Material bestehen, dessen Wärmeleitfähigkeit wenigstens den dreifachen Wert der Wärmeleitfähigkeit des Basismaterials aufweist. Coolable component according to claim 1, characterized in that the Pins consist of a material whose thermal conductivity is at least has three times the thermal conductivity of the base material. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen zwei Wärmesenken (22, 23) kleiner als das achtfache des hydraulischen Durchmessers einer Ausblaseöffnung (22) ist.Coolable component according to claim 1, characterized in that the Distance between two heat sinks (22, 23) less than eight times of the hydraulic diameter of a blow-out opening (22). Kühlbares Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Öffnungen (22) und Stifte (23) annähernd identische Abstände voneinander haben.Coolable component according to claim 1, characterized in that Openings (22) and pins (23) are approximately identical distances apart to have. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte zwischen 30% und 80% einer lokalen Materialstärke, in der Längsrichtung der Stifte gemessen, in des Basismaterial des Bauteils hineinragen.Coolable component according to claim 1, characterized in that the Pins between 30% and 80% of a local material thickness in which Longitudinal direction of the pins measured in the base material of the component protrude into it. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte wenigstens doppelt so weit in das zweite Medium hineinragen, wie es dem Mass entspricht, das sich aus der Wurzel der Querschnittsfläche des Stiftes an der Durchdringung mit der Kaltgasseite ergibt.Coolable component according to claim 1, characterized in that the The pins protrude at least twice as far into the second medium as it does corresponds to the measure resulting from the root of the cross sectional area of the Pin on the penetration with the cold gas side results. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Kaltgasseite Mittel (25) angeordnet sind, die das Medium (7), das durch die Ausblaseöffnungen (22) strömt, über die Stifte (23) leitet.Coolable component according to claim 1, characterized in that on the Cold gas side means (25) are arranged, the medium (7) through the Blow-out openings (22) flows through which pins (23) conduct. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte parallel zu den Ausblaseöffnungen verlaufen.Coolable component according to claim 1, characterized in that the Pins run parallel to the blow-out openings. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte in dem Bauteil eingegossen sind.Coolable component according to claim 1, characterized in that the Pins are cast in the component. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Hohlkörper ist, wobei die Heissgasseite aussen und die Kaltgasseite innen liegt. Coolable component according to claim 1, characterized in that the Component is a hollow body, the hot gas side outside and the Cold gas side is inside. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Gasturbinenschaufel ist, und die Stifte (23) und Ausblaseöffnungen (22) entlang wenigstens einer Linie auf der Kaltgasseite (12) einer zur Gasturbinenschaufel gehörenden Schaufelplattform (3) angeordnet sind.Coolable component according to claim 11, characterized in that the Component is a gas turbine blade, and the pins (23) and Blow-out openings (22) along at least one line on the cold gas side (12) a blade platform (3) belonging to the gas turbine blade are arranged. Kühlbares Bauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Gasturbinenschaufel ist, dass die Ausblaseöffnungen (22) und Stifte (23) entlang einer zur Schaufel gehörenden Hinterkante (14) angeordnet sind, und dass die Stifte ins Innere (121) der Gasturbinenschaufel hineinragen.Coolable component according to claim 11, characterized in that the The component of a gas turbine blade is that the blow-out openings (22) and Pins (23) along a trailing edge (14) belonging to the blade are arranged, and that the pins inside (121) the Project the gas turbine blade.
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