EP1118831B1

EP1118831B1 - Mit Rippenzug versehene Wärmetauscherwand

Info

Publication number: EP1118831B1
Application number: EP00810953A
Authority: EP
Inventors: Sacha Dr. Parneix; Jens Dr. Von Wolfersdorf; Bernhard Prof. Dr. Weigand
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 2000-10-16
Publication date: 2003-09-24
Anticipated expiration: 2020-10-16
Also published as: EP1118831A2; DE50003825D1; EP1118831A3; DE19963373A1; US6666262B1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Kühlung einer. Strömungskanalwand eines Strömungskanals gëmäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Vorrichtung ist aus der Schritt FR- 1.300.121 bekannt.

Stand der Technik

Die Leistungssteigerung von Gasturbinenanlagen und der Wunsch nach höheren Wirkungsgraden ist eng verknüpft mit der Forderung nach höheren Prozesstemperaturen, die sich durch die Verbrennung eines Brennstoff- Luftgemisch innerhalb der Brennkammer einstellen. Der Wunsch nach höheren Prozesstemperaturen, dem man mit heutigen Verbrennungstechniken durchaus gerecht werden kann, stößt jedoch seinerseits an Materialgrenzen aufgrund der nur thermisch begrenzt belastbaren Anlagenkomponenten, die den durch die Verbrennung innerhalb der Brennkammer entstehenden Heißgasen unmittelbar ausgesetzt sind. Um einerseits die Prozesstemperaturen zu erhöhen und somit den thermodynamischen Wirkungsgrad einer Gasturbinenanlage zu steigern, aber trotzdem unterhalb des thermischen Schmelzpunktniveaus der jeweiligen Materialien zu liegen, aus denen die einzelnen Gasturbinenanlagenkomponenten, wie beispielsweise Turbinenschaufelblätter, Brennkammerwände, etc., gefertigt sind, werden in an sich bekannter Weise jene thermisch stark belasteten Anlagenkomponenten mittels unterschiedlich ausgebildeter Kühlkanalsysteme gekühlt. Typischerweise werden im Inneren von Turbinenschaufeln oder entlang der Brennkammerwände Kühlkanäle vorgesehen, durch die, verglichen mit der Temperatur der Heissgase relativ kalte Luft eingespeist wird. Beispielsweise werden durch die, der Verdichterstufen nachgeschalteten Kühlkanalsysteme ein Teil der komprimierten Luft aus dem Luftverdichter abgeleitet und in die Kühlkanäle eingespeist.

Um den Kühleffekt innerhalb der Kühlkanäle zu verbessern, ist es überdies bekannt, an den Kühlkanalinnenwandseiten, über die Innenwand erhabene Rippenzüge anzubringen, durch die der Wärmeaustausch zwischen der warmen Kühlkanalwand und dem Kühlluftstrom entscheidend verbessert werden kann. Die dem Vorsehen von Kühlrippen zugrunde liegende Idee besteht in der Ausbildung Kühlkanalwand naher Wirbel, durch die der Kühlluftmassenstrom, der mit der Kühlkanalinnenwand in thermischen Kontakt tritt, entscheidend erhöht werden kann. So bilden sich innerhalb des Kühlluftstromes, der axial durch den Kühlkanal gerichtet ist, sogenannte Sekundärwirbel aus, die Wirbelströmungskomponenten aufweisen, die senkrecht zu den Kühlkanalwänden gerichtet sind. Die Ausbildung derartiger Sekundärwirbel ist in Figur 2 illustriert, in der ein perspektivischer Querschnitt durch einen an sich bekannten Kühlkanal 1 gezeigt ist. Der im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 dargestellte Kühlkanal 1 weist einen quadratischen Querschnitt auf und ist deshalb von vier gleich langen Kühlkanalwänden umgeben. Zwei sich gegenüberliegende Kühlkanalwände 2, 3 sind dabei mit jeweils in Kühlkanallängsrichtung hintereinander angeordneten Rippenzügen 4 versehen. Die als geradlinig ausgebildete und einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisende Rippenzüge 4 verlaufen vorzugsweise schräg zur Längserstreckung des Kühlkanals 1 und schließen mit der Kühlkanallängsachse A einen Winkel α von etwa 45° ein. Tritt nun der Kühlluftstrom axial durch den Kühlkanal 1 hindurch, so bildet sich durch die Rippenzüge 4 im Strömungsquerschnitt des Kühlmittelstromes ein Strömungsprofil aus, das zwei Sekundärwirbel 5, 6 vorsieht. Die Sekundärwirbel 5, 6 führen ihrerseits zu einer turbulenten Durchmischung der Grenzschicht unmittelbar über der Kühlkanalinnenwand, wodurch ein verbesserter Kühlluftaustausch an der Kühlkanalinnenwand stattfindet und sich ein größerer Wärmefluss von der heißen Kühlkanalinnenwand auf den Kühlluftstrom ergibt. Basierend auf dieser Erkenntnis wurden viele Studien angestellt, die sich mit dem Einfluss der Änderung von, die Rippenzüge bestimmende Parameter auf die Wärmeübergangseffizienz beziehen, wie Änderungen von Rippenzughöhe, Rippenzugabstand, Rippenausrichtung relativ zur Kühlkanallängsachse, Reynolds- und Prandlzahl, Kühlkanalaspektverhältnis, etc.. Diesbezügliche Untersuchungen beschränkten sich jedoch lediglich auf geradlinig verlaufende Rippenzüge.

Aus der Schritt JP- 09 72683 ist es bekannt, den Wärmeübergang einer Rohrleitung dadurch zu erhöhen dass in der Innenseite eine Kontinuierliche Spirale angeordnet ist.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung nach Auspruch 1 liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Kühlung einer, einen Strömungskanal umgebenden Strömungskanalwand mit wenigstens einem, in ein durch den Strömungskanal hindurchtretendes Strömungsmedium Strömungswirbel induzierenden Rippenzug, der an der, dem Strömungskanal zugewandten Seite der Strömungskanalwand angebracht ist und eine Hauptlängserstreckung aufweist, die in einem Winkel α≠0° zur Strömungsrichtung des durch den Strömungskanal hindurchtretenden Strömungsmediums orientiert ist, derart weiterzubilden, dass die Kühlwirkung der Vorrichtung erheblich gesteigert werden soll, ohnê dabei den fertigungstechnischen Aufwand verglichen mit konventionellen Maßnahmen entscheidend zu erhöhen. Durch die Verbesserungen soll es möglich sein, die Kühlleistung der durch einen Strömungskanal hindurchtretenden Kühlluftstrom zu verbessern, so dass eine weitere Leistungszunahme durch erhöhte Prozesstemperaturen innerhalb der Gasturbinenanlage möglich wird.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Die der Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildenden Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung und den Ausführungsbeispielen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weitergebildet, dass die Rippenzüge entlang der Hauptlängserstreckung wenigstens teilweise Rippenzugabschnitte aufweisen, deren Rippenzugabschnittsachsen mit der Hauptlängserstreckung einen Winkel β≠0° einschließt.

Die Erfindung knüpft an der bekannten Erkenntnis an, dass vorzugsweise schräg zur Hauptströmung innerhalb eines Kühlkanals verlaufende Rippenzüge die schematisch in Figur 2 dargestellten Sekundärwirbel generieren, durch die kühle Luft aus dem Zentrum des Kühlkanals an die heißen Kühlkanalinnenwände transportiert wird, um diese effektiv zu kühlen. Im Unterschied zu den bislang geradlinig verlaufenden Rippenelementen sieht die Erfindung vor, die Rippenelemente derart gekrümmt um ihre Rippenlängsachse auszubilden, so dass sie beispielsweise eine Schlangenlinienform annehmen, die in vielfacher Weise ausgeführt sein kann. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform besteht in der sinusförmigen Ausbildung der Rippenelemente, wobei die Hauptausrichtung des Rippenelementes relativ zur Hauptströmung wie bei den bekannten geradlinig ausgebildeten Rippenelementen, vorzugsweise 45° relativ zur Hauptströmungsrichtung, erhalten bleibt.

Auch eignen sich eine Vielzahl unmittelbar aneinandergereihter Halbkreisabschnitte für die Bildung erfindungsgemäß ausgebildeter Rippenzuggeometrien. Für weitere, mögliche Rippenzugausbildungen wird auf die Ausführungsbeispiele und auf die Figuren verwiesen.

Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung der Rippenzüge sind insbesondere zwei Vorteile verbunden, nämlich eine weitgehend unveränderte Ausbildung von Sekundärwirbeln, die zu einer aktiven Durchmischung der Grenzschicht nahe der Kühlkanalinnenwandoberfläche führt. Ferner wird durch die entlang der Rippenzüge vorgesehenen gekrümmten Abschnitte eine größere Oberfläche der Rippenzüge geschaffen, wodurch die Wärmeübergangsoberfläche ansteigt. Unter der Voraussetzung, dass durch die geometrische Modifikation der Rippenzüge der Wärmeübergangskoeffizient verglichen mit den konventionell, geradlinig ausgebildeten Rippenelementen weitgehend unverändert bleibt, wovon man ausgehen kann, so steigt mit der erhöhten Wärmeübergangsoberfläche merklich der Wärmeaustausch zwischen den heißen Kühlkanalinnenwänden und der durch den Kühlkanal hindurchströmenden Kühlluft an.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschriben. Es zeigen:

Fig. 1: schematisierte Draufsicht auf eine Kühlkanalinnenwand mit erfindungsgemäß ausgebildeten Rippenzügen,
Fig. 2: perspektivische Querschnittsdarstellung durch einen Kühlkanal mit Strömungsprofil (Stand der Technik),
Fig. 3a -d: unterschiedliche Ausführungsformen von erfindungsgemässen Rippenzügen,
Fig. 4a, b: perspektivische Querschnittsdarstellungen durch Kühlkanäle mit erfindungsgemäß ausgebildeten Rippenzügen sowie
Fig. 5a -e: schematisierte Darstellungen zum Verlauf weiterer Rippenzüge.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

In Figur 1 ist in stark schematisierter Weise die Draufsicht auf eine Kühlkanalinnenwand 3 dargestellt, an deren dem Kühlkanal zugewandten Seiten geschwungen ausgebildete Rippenzüge 4 vorgesehen sind. Die Rippenzüge 4 sind ebenso wie im bekannten Fall gemäß der Figur 2 schräg zur Hauptströmungsrichtung 7 ausgerichtet und schließen mit dieser vorzugsweise einen Winkel von α = 45° ein. Relativ zu ihrer Rippenzuglängsachse 8 sind die Rippenzüge 4 im dargestellten Fall geschwungen ausgebildet, beispielsweise in Art eines sinusförmigen Wellenzuges.

Durch den welligen Verlauf jedes einzelnen Rippenzuges 4 wird automatisch die Oberfläche jedes einzelnen Rippenzuges 4 vergrößert, über die ein Wärmeaustausch von der heißen Strömungskanalwand 3 zur Kühlluft stattfinden kann. Unter Bezugnahme auf die Figuren 3 a - d wird gezeigt, welchen Einfluss die Form der einzelnen Rippenzüge auf den gesamte Wärmeaustausch innerhalb des jeweiligen Kühlkanals hat. Im folgenden wird davon ausgegangen, dass die Rippenzüge 4 in einer 45° Geometrie relativ zur Hauptrömungsrichtung 7 ausgerichtet sind. Die Rippenzüge selbst weisen eine Rippenhöhe von etwa 10% der Kühlkanalhöhe auf, was dem hydraulischen Durchmesser des Kühlkanals entspricht. Ebenso beträgt das Verhältnis zwischen Abstand zweier benachbarten Rippenzüge zu ihrer Höhe 10. Die folgenden in den Figuren 3 a - d dargestellten, unterschiedlichen Rippenzugverläufen sollen nun in ihren Wärmeübergangseigenschaften miteinander verglichen werden. In Figur 3a ist der konventionelle Rippenzugverlauf dargestellt, der vielfach in bekannter Weise in Kühlkanälen zu Einsatz kommt. Figur 3b zeigt sinusförmig ausgebildete Rippenzüge, Figur 3c stellt Rippenzüge dar, die aus Halbkreissegmenten zusammengesetzt sind und Figur 3d zeigt Rippenzüge, die aus Halbkreissegmeten zusammengesetzt sind, welche durch gradlinige Rippenzugabschnitte verbunden sind. Alle in den Figuren 3a - d dargestellten Rippenzüge weisen ansonsten gleiche Rippenhöhen auf und sind jeweils an zwei sich gegenüberliegenden Kühlkanalwänden vorgesehen, über die Kühlluft strömt.

In der zu den Figuren 3a - d zugehörigen Tabelle T sind Rechnungsergebnisse dargestellt, die den Zusammenhang zwischen unterschiedlichen ausgebildeten Rippenzuggeometrien und dem im Inneren des Kühlkanals stattfindenden Wärmeübergang darstellen sollen. So stellt die Spalte a den Faktor der Zunahme an Rippenoberfläche im Vergleich zu einer geradlinig verlaufenden Rippe gemäß Figur 3a dar. Die mittlere Spalte b enthält den prozentualen Faktor bezüglich der Oberflächenzunahme bezogen auf den gesamten Kühlkanal und aus der rechten Spalte c ist die prozentuale Zunahme am Wärmeübergang gezeigten verglichen mit den in Figur 3a Rippenzügen dargestellt. Die einzelnen Tabellenzeilen sind den Ausführungsbeispielen der Figuren 3 b, c und d zugeordnet.

Es zeigt sich, dass der Wärmeübergang entscheidend positiv beeinflusst werden kann, indem die Oberfläche der Rippenelemente vergrößert wird. So ist im Falle der Rippenelemente gemäß der Ausbildung in Figur 3d zu sehen, dass eine Wärmeübergangszunahme von 21,4% zu verzeichnen ist, verglichen zu den geradlinig ausgebildeten Rippenelementen gemäß Figur 3a. Grundsätzlich lassen sich beliebig weitere Rippengeometrien ausgestalten, die über eine ihre Oberfläche vergrößernde Kontur verfügen.

In den Figuren 4a und 4b sind perspektivische Querschnittsdarstellungen durch einen quadratisch ausgebildeten Kühlkanal dargestellt, gleichsam der Darstellung gemäß Figur 2, jedoch sind in den Figuren 4a, b die Rippenzüge 4 erfindungsgemäß gekrümmt ausgeführt. So verlaufen die Rippenzüge 4 im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4a sinusförmig, wohingegen die Rippenzüge gemäß 4b aus einer Aneinanderreihung von Halbkreisabschnitten bestehen, die jeweils über geradlinig verlaufende Rippenzugabschnitte miteinander verbunden sind.

In Gegenüberstellung der beiden Rippenformen gemäß Figur 4a und b ist festzustellen, dass im Falle der sinusförmig ausgebildeten Rippen (Figur 4a) Sekundärwirbei 5, 6 gebildet werden, die nahezu die gleiche Wirbelstärke aufweisen, wie es beispielsweise im Kühlkanal gemäß Figur 2 der Fall ist. Es zeigt sich jedoch, dass die Stärke der Ausbildung von Sekundärwirbeln innerhalb eines Kühlkanals bei Rippenzügen abnimmt, deren Welligkeit und somit deren Rippenoberfläche größer wird. Aus dem Querschnittsprofil gemäß Figur 4b kann entnommen werden, dass die Sekundärwirbelstärke schwächer ausgebildet ist, als im Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 4a, doch sind auch in Figur 4b Sekundärwirbel (siehe Pfeil) vorhanden, die einen erhöhten Wärmeübergang zwischen dem Kühlmedium Luft und den heißen Kammerwänden zur Folge haben.

Neben den dargestellten Rippenzuggeometrien sind auch beliebig weitere Rippenzuggeometrien relativ zu ihrer Rippenlängsachse denkbar, wie es aus den Figuren 5a - e zu entnehmen ist. In den einzelnen Darstellungen ist der Verlauf der Rippenzuglängsachse strichliert eingezeichnet. Die durchgezogene Linie stellt schematisiert den Verlauf des Rippenzuges dar. Neben den geschwungen ausgebildeten Rippenzügen der Figuren 3b - d sind gemäß den Figuren 5a, b und c auch kantig bzw. eckige Rippenzuggeometrien denkbar, die einen ähnlichen, den Wärmeübergang verbessernden Effekt zur Folge haben. Die Figuren 5d und e zeigen hingegen geschwungen bzw. gebogen verlaufende Rippenzüge relativ zu ihrer gestrichelt eingezeichneten Rippenzuglängsachse.

Bezugszeichenliste

1: Kühlkanal
2, 3: Kühlkanalwand, Strömungskanalwand
4: Rippenzug
5, 6: Sekundärwirbel
7: Strömungsrichtung
8: Rippenzuglängsachse

Claims

Vorrichtung zur Kühlung einer Strömungskanalwand (2, 3) eines Strömungskanals (1),

wobei der Strömungskanal (1) von vier Strömungskanalwänden (2, 3) begrenzt ist, und einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist,

wobei an zwei gegenüberliegenden Strömungskanalwänden (2, 3) Rippenzüge (4) vorgesehen sind, die in Strömungsrichtung jeweils in einer Vielzahl hintereinander sowie voneinander beabstandet angeordnet sind,

wobei durch die Rippenzüge (4) in dem durch den Strömungskanal (1) hindurchtretenden Strömungsmedium ein Sekundärwirbel induzierbar ist,

wobei die Rippenzüge (4) eine Hauptlängserstreckung (8) aufweisen, die in einem Winkel von α ≠ 0° zur Strömungsrichtung des durch den Strömungskanal (1) hindurchtretenden Strömungsmediums orientiert ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Rippenzüge (4) entlang der Hauptlängserstreckung (8) wenigstens teilweise Rippenzugabschnitte aufweisen, deren Rippenzugabschnittsachsen mit der Hauptlängserstreckung (8) einen Winkel von β ≠ 0° aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rippenzugabschnitte sinusförmig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rippenzugabschnitte aus aneinandergereihten Halbkreissegmenten zusammengesetzt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rippenzugabschnitte aus Halbkreissegmenten zusammengesetzt sind, die jeweils über geradlinig verlaufende Rippenverbindungsstücke miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Strömungskanal (1) einen quadratischen Strömungsquerschnitt aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rippenzüge (4) über eine gesamte Strömungskanalwand (2, 3), die beidseitig von zwei Strömungskanalwandseiten begrenzt ist, verlaufen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die gesamten Rippenzüge (4) aus Rippenzugabschnitten bestehen, die Rippenzugabschnittsachsen aufweisen, die mit der Hauptlängserstreckung einen Winkel von β ≠ 0° einschließen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rippenzüge (4) eine Hauptlängserstreckung (8) aufweisen, die in einem Winkel α von 45° orientiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rippenzüge (4) eine Rippenhöhe aufweisen, die in etwa 10 % der Länge einer Strömungskanalwandseite entspricht.