EP1457641A1 - Method for cooling a hot gas guiding component and component to be cooled - Google Patents

Method for cooling a hot gas guiding component and component to be cooled Download PDF

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EP1457641A1
EP1457641A1 EP03005535A EP03005535A EP1457641A1 EP 1457641 A1 EP1457641 A1 EP 1457641A1 EP 03005535 A EP03005535 A EP 03005535A EP 03005535 A EP03005535 A EP 03005535A EP 1457641 A1 EP1457641 A1 EP 1457641A1
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Abstract

The method for the cooling of a component (1) by impingement cooling entails applying a medium to the inner side (13) of the component. The inner side of the component has a heat conducting layer (19) which has a higher heat conduction coefficient than the material of the component, whereby the cooling medium (10) acts on the heat conducting layer. The heat conducting coefficient of the layer is at least 10 per cent greater than that of the component and is preferably up to 100 per cent more.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines heißgasführenden Bauteils und ein zu kühlendes Bauteil gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 1 und 2.The invention relates to a method for cooling a hot gas-carrying component and a component to be cooled the preamble of claims 1 and 2.

Bauteile in Gasturbinen sind oft hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Diese Bauteile erhalten dann auf der "heißen" Seite beispielsweise eine äußere keramische Wärmedämmschicht und/oder werden auf der Seite, die der heißen Seite gegenüberliegt, durch Prallkühlung gekühlt, um die thermischen Belastungen zu reduzieren.Components in gas turbines are often high thermal Exposed to stress. These components then get on the "hot" side, for example, an outer ceramic Thermal barrier and / or are on the side that the opposite hot side, cooled by impingement cooling to reduce the thermal loads.

Die Kühlung ist jedoch oft stark ungleichmäßig und/oder nicht ausreichend.However, the cooling is often very uneven and / or not sufficient.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, dieses Problem zu überwinden.It is therefore an object of the invention to address this problem overcome.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Kühlen eines heißgasführenden Bauteils und ein zu kühlendes Bauteil gemäß Anspruch 1 und 2.The object is achieved by a method for cooling a hot gas-carrying component and a component to be cooled Claims 1 and 2.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet.
Die in den Unteransprüchen aufgelisteten Maßnahmen können in vorteilhafter Weise miteinander kombiniert werden.
Further advantageous measures are listed in the subclaims.
The measures listed in the subclaims can be combined with one another in an advantageous manner.

Es zeigen

  • Figur 1 ein Bauteil, nach dem Stand der Technik,
  • Figur 2, 3 Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemässen
  • Show it
  • 1 shows a component according to the prior art,
  • Figure 2, 3 embodiments of an inventive
  • Bauteils, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.Component with which the inventive method is carried out can be.

    Figur 1 zeigt ein Bauteil nach dem Stand der Technik mit einer Wand 2, die eine Außenseite 4 ("heiße" Seite) und eine Innenseite 13 aufweist.Figure 1 shows a component according to the prior art a wall 2, the outside 4 ("hot" side) and one Has inside 13.

    Entlang der Außenseite 4 strömt bspw. ein Heißgas bspw. einer Gasturbine, in einer Strömungsrichtung 7, beispielsweise in einem Heißkanal 28.
    Ohne Prallkühlung wäre die Temperatur in Strömungsrichtung 7 bei einer bestimmten Tiefe in der Wand 2 (d.h. in radialer Richtung 31, also senkrecht zur Strömungsrichtung 7) ungefähr gleich; in radialer Richtung 31 wäre ein Temperaturgradient in der Wand 2 vorhanden, der entlang der Strömungsrichtung 7 gleich ist.
    A hot gas, for example a gas turbine, flows along the outside 4 in a flow direction 7, for example in a hot runner 28.
    Without impingement cooling, the temperature in flow direction 7 would be approximately the same at a certain depth in wall 2 (ie in radial direction 31, that is perpendicular to flow direction 7); In the radial direction 31 there would be a temperature gradient in the wall 2 which is the same along the flow direction 7.

    Bei der Prallkühlung, wie sie der Darstellung von Fig. 1 zu Grunde liegt, trifft auf der Innenseite 13 ein Kühlmedium 10 (Luft, Dampf, ..) auf.
    Das Medium 10, das zur Prallkühlung verwendet wird, trifft nur partiell auf die Innenseite 13 an Auftreffstellen 18 auf, so dass an den Auftreffstellen 18 und an Bereichen 16, die in der Wand 2 an die Auftreffstellen 18 angrenzen, die Temperatur deutlich geringer ist als in den Bereichen 17, wo das Kühlmedium nicht auftrifft.
    Die Temperaturverteilung in der Wand 2 in Strömungsrichtung 7 bei einer bestimmten Tiefe in der Wand 2 (d.h. in radialer Richtung 31) ist nicht mehr konstant, sondern schwankt.
    In radialer Richtung 31 ist der Gradient je nach Lage in Strömungsrichtung 7 stark unterschiedlich, d.h. je nachdem, ob er durch den Bereich 16 oder 17 verläuft.
    In the case of impingement cooling, as is the basis of the illustration in FIG. 1, a cooling medium 10 (air, steam, ..) impinges on the inside 13.
    The medium 10, which is used for impingement cooling, only partially strikes the inside 13 at impact points 18, so that the temperature at the impact points 18 and at regions 16 which adjoin the impact points 18 in the wall 2 is significantly lower than in areas 17 where the cooling medium does not strike.
    The temperature distribution in the wall 2 in the flow direction 7 at a certain depth in the wall 2 (ie in the radial direction 31) is no longer constant, but fluctuates.
    In the radial direction 31, the gradient is very different depending on the position in the flow direction 7, ie depending on whether it runs through the area 16 or 17.

    Somit kommt es nach dem Stand der Technik zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung im Bauteil, was zu thermomechanischen Belastungen der Wand 2 führt, die ein frühzeitiges Bauteilversagen nach sich ziehen können. Thus, according to the state of the art, there is a uneven temperature distribution in the component, which leads to thermomechanical loads on the wall 2 leads to a can lead to early component failure.

    Figur 2 zeigt ein erfindungsgemässes Bauteil 1, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.FIG. 2 shows a component 1 according to the invention, with which the The inventive method can be carried out.

    Das Bauteil 1 ist ein beispielsweise hohles Bauteil 1, beispielsweise eine Turbinenschaufel, Brennkammerauskleidung, oder ähnliches, das im Inneren gekühlt wird.
    Das Bauteil 1 besteht beispielsweise aus einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung.
    The component 1 is, for example, a hollow component 1, for example a turbine blade, combustion chamber lining, or the like, which is cooled on the inside.
    The component 1 consists for example of a nickel or cobalt-based super alloy.

    Die Innenseite 13 begrenzt einen Hohlraum (nicht dargestellt).
    Auf der Innenseite 13 ist eine Schicht 19 aufgebracht, die einen deutlich höheren Wärmeleitkoeffizienten aufweist als das Material des Bauteils 1 bzw. der Wand 2, insbesondere höher als in der Nähe der Innenseite 13. Der Wärmeleitkoeffizient der Schicht 19 ist mindestens 10% grösser als der Wärmeleitkoeffizient der Wand 2, vorzugsweise aber auch 20%, 50%, 100% oder mehr grösser.
    Als Material für die Schicht 19 kann Kupfer, Silber oder Legierungen verwendet werden. Andere Materialien mit sehr guter Wärmeleitfähigkeit sind ebenso möglich.
    Die Schicht 19 kann auch auf einer bereits auf einem Grundmaterial vorhandenen Schicht aufgebracht werden.
    The inside 13 delimits a cavity (not shown).
    A layer 19 is applied on the inside 13, which has a significantly higher coefficient of thermal conductivity than the material of the component 1 or the wall 2, in particular higher than in the vicinity of the inside 13. The coefficient of thermal conductivity of the layer 19 is at least 10% greater than that Thermal conductivity coefficient of the wall 2, but preferably also 20%, 50%, 100% or more.
    Copper, silver or alloys can be used as the material for the layer 19. Other materials with very good thermal conductivity are also possible.
    The layer 19 can also be applied to a layer already present on a base material.

    Das Kühlmedium 10 für die Prallkühlung trifft nun auf diese Schicht 19 auf. Da die Schicht 19 eine sehr gut wärmeleitende Schicht ist, verteilt sie die Wärme, so dass nicht wie in Figur 1 mehrere diskrete Zonen 16 mit deutlich reduzierter Temperatur entstehen, sondern dass an der Innenseite 13 ein durchgehender Bereich 22 entlang der Strömungsrichtung 7 entsteht, der in radialer Richtung 31 einen ungefähr gleichen Temperaturgradienten aufweist. Somit erfolgt die Wärmeabfuhr sehr gleichmäßig, so dass thermomechanische Belastungen reduziert werden. The cooling medium 10 for impingement cooling now meets this Layer 19 on. Since the layer 19 is a very good heat conductor Layer, it distributes the heat, so not like in Figure 1 several discrete zones 16 with significantly reduced Temperature arise, but that on the inside 13 a continuous area 22 along the flow direction 7 arises, which is approximately the same in the radial direction 31 Has temperature gradients. The heat is thus removed very evenly, so that thermomechanical loads be reduced.

    Ausserdem wird die Kühlleistung erhöht.The cooling capacity is also increased.

    Zur Prallkühlung wird noch ein Prallkühlblech (nicht dargestellt) verwendet, das in einem bestimmten Abstand zur Innenseite 13 angeordnet ist.
    Das Kühlmedium strömt durch das Prallkühlblech und trifft dann auf die gut wärmeleitende Schicht 19.
    A baffle cooling plate (not shown), which is arranged at a certain distance from the inside 13, is also used for the baffle cooling.
    The cooling medium flows through the baffle cooling plate and then strikes the heat-conducting layer 19.

    Figur 3 zeigt ein weiteres erfindungsgemässes Bauteil 1, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.FIG. 3 shows a further component 1 according to the invention, with which the method according to the invention can be carried out.

    Das Bauteil 1 weist gegenüber Figur 2 noch ein Kühlluftloch 25 auf, durch dass das Kühlmedium 10, nachdem die Prallkühlung erfolgt ist, in den Heißgaskanal 28 strömt und dort im Aussenraum zur Filmkühlung des Bauteils 1 auf der Außenseite 4 beiträgt.
    Das Kühlluftloch 25 geht durch die Schicht 19 hindurch und kann ebenfalls eine gut wärmeleitende Schicht aufweisen.
    Compared to FIG. 2, component 1 also has a cooling air hole 25 through which the cooling medium 10 flows after the impingement cooling has taken place in the hot gas duct 28 and there contributes to film cooling of the component 1 on the outside 4 in the outside space.
    The cooling air hole 25 passes through the layer 19 and can also have a highly heat-conducting layer.

    Claims (8)

    Verfahren zum Kühlen eines Bauteils (1),
    bei dem zur Kühlung eine Prallkühlung verwendet wird, wobei das Bauteil (1) eine Innenseite (13) aufweist, an der ein für die Prallkühlung verwendetes Medium (10) auftritt,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Innenseite (13) mit einer wärmeleitenden Schicht (19) versehen wird,
    die (19) einen höheren Wärmeleitkoeffizient als das Material des Bauteils (1) aufweist, und
    wobei das Kühlmedium (10) auf die Schicht (19) auftrifft.
    Method for cooling a component (1),
    in which impingement cooling is used for cooling, the component (1) having an inside (13) on which a medium (10) used for impingement cooling occurs,
    characterized in that
    the inside (13) is provided with a heat-conducting layer (19),
    which (19) has a higher coefficient of thermal conductivity than the material of the component (1), and
    wherein the cooling medium (10) strikes the layer (19).
    Bauteil (1),
    das eine Wand (2) mit einer Innenseite (13) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Innenseite (13) mit einer wärmeleitenden Schicht (19) versehen ist,
    die (19) einen höheren Wärmeleitkoeffizient als das Material des Bauteils (1) aufweist.
    Component (1),
    which has a wall (2) with an inside (13),
    characterized in that
    the inside (13) is provided with a heat-conducting layer (19),
    which (19) has a higher coefficient of thermal conductivity than the material of the component (1).
    Bauteil nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    durch die Wand (2) und die Schicht (19) mit einem durchgehenden Loch (25) versehen wird,
    das zur Filmkühlung der Wand (2) verwendbar ist.
    Component according to claim 2,
    characterized in that
    is provided with a through hole (25) through the wall (2) and the layer (19),
    which can be used for film cooling of the wall (2).
    Bauteil nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Bauteil (1) hohl ist.
    Component according to claim 2,
    characterized in that
    the component (1) is hollow.
    Bauteil nach Anspruch 2 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Bauteil (1) ein Prallkühlblech aufweist.
    Component according to claim 2 or 4,
    characterized in that
    the component (1) has an impact cooling plate.
    Bauteil nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die wärmeleitende Schicht (19) kupfer- oder silberhaltig ist.
    Component according to claim 2 or 3,
    characterized in that
    the heat-conducting layer (19) contains copper or silver.
    Bauteil nach Anspruch 2, 4 oder 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Bauteil (1) durch Prallkühlung kühlbar ist.
    Component according to claim 2, 4 or 5,
    characterized in that
    the component (1) can be cooled by impingement cooling.
    Bauteil nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Wärmeleitkoeffizient der Schicht (19) mindestens 10% grösser als der Wärmeleitkoeffizient des Bauteils (1), vorzugsweise 20%, 50%, 100% oder mehr, ist.
    Component according to claim 1,
    characterized in that
    the coefficient of thermal conductivity of the layer (19) is at least 10% greater than the coefficient of thermal conductivity of the component (1), preferably 20%, 50%, 100% or more.
    EP03005535A 2003-03-11 2003-03-11 Method for cooling a hot gas guiding component and component to be cooled Withdrawn EP1457641A1 (en)

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