EP1628076B1 - Kühlkanal, Brennkammer und Gasturbine - Google Patents

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EP1628076B1
EP1628076B1 EP20040019326 EP04019326A EP1628076B1 EP 1628076 B1 EP1628076 B1 EP 1628076B1 EP 20040019326 EP20040019326 EP 20040019326 EP 04019326 A EP04019326 A EP 04019326A EP 1628076 B1 EP1628076 B1 EP 1628076B1
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EP
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cooling channel
cooling
side wall
turbulators
hot gas
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EP20040019326
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Michael Dr. Huth
Diane Lauffer
Roland Dr. Liebe
Thomas Pechette
Bernhard Prof. Weigand
Jens Prof. Von Wolfersdorf
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F05D2260/22141—Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface using fins or ribs

Definitions

  • the invention relates to a cooling channel for guiding a cooling fluid.
  • the invention also relates to a combustion chamber with such a cooling channel and a gas turbine with such a combustion chamber.
  • a generic cooling channel is off EP 1 400 750 A known.
  • a combustion chamber protrudes from the US 4,944,152 A1 ,
  • the combustion chamber comprises a combustion chamber, which is surrounded by an annular space in which a cooling gas is guided.
  • a cooling gas is guided.
  • strip-shaped paragraphs are provided in the annular cooling channel, which serve to equalize the cooling effect.
  • a turbulator arrangement is known, by means of which turbulences are generated in a cooling liquid in order to increase a heat transfer.
  • the turbulators are semicircular elevations.
  • more common are elongated, rib-shaped turbulators, such as those from the US 5,426,943 f be used for the turbulence generation in cooling air for cooling a gas turbine combustor.
  • a particularly effective cooling method is the so-called impingement cooling, in which the cooling fluid flows from openings perpendicular to the surface to be cooled. With such an impingement cooling, however, a considerable pressure loss occurs. Described is such an impingement cooling, for example in the US 6,314,716 B1 ,
  • the invention is therefore based on the object to provide a cooling channel with a side wall, which allows for a low pressure loss good cooling of the sidewall area.
  • Another object of the invention is the disclosure of a particularly good coolable combustion chamber and a gas turbine with a well-cooled combustion chamber.
  • the object directed to a cooling channel is achieved by the features of claim 1.
  • the invention is based on the recognition that the concave depressions, which are also referred to as dimples as mentioned above, although allow a very good heat transfer coefficient and thus good cooling with low pressure loss, but insufficient by the generation of longitudinal vortices a sidewall region of a relative cool flat cooling channel.
  • turbulators are arranged in the edge zone of the hot gas wall. Further improved cooling of the sidewall and rim is achieved by transverse vortices, in contrast to the longitudinal vortices created by the dimples. Such transverse vortices are generated by the specified turbulators.
  • the combination of dimples in the central region of the cooling channel and preferably rib-shaped turbulators in the edge zone thus results in an optimized cooling both with regard to low pressure loss and with a view to good cooling of the edge zones and side walls.
  • the side walls on a relation to the hot gas wall inclined transition portion adjacent to the edge zone of the hot gas wall can be determined yes after constructive requirement and thermo-mechanical stress.
  • the inclined transition section moreover achieves a further improved transport of the coolant in the direction of the side wall.
  • the transition section preferably has a rounding or bevel with a radius of curvature.
  • turbulators are arranged on a side wall, in particular in the transition section of the side wall.
  • concave depressions are arranged on a side wall, in particular in the transition section of the side wall.
  • concave depressions e.g. spherical dimples
  • a sidewall which is subjected to higher thermal loads preferably has web-shaped or knob-shaped turbulators with a high cooling effect in the transition section. These may be designed as chevron, i. have substantially V-shaped geometry with an as needed acute or obtuse opening angle.
  • the turbulators in the form of longitudinal ribs, sockets, elevations (knobs) or chevrons (knobs) or, if necessary, may also include concave depressions and / or Combinations of all these a desired cooling effect causing flow elements.
  • the edge zone width is about half as large to about one and a half times as large as the cooling channel height.
  • the turbulators are oriented on the hot gas wall to direct the cooling fluid toward the side wall.
  • the turbulators have a longitudinal extension and extend at an angle between 20 and 70 degrees, more preferably between 30 and 60 degrees measured perpendicular to the flow direction. In such an orientation results for the turbulators particularly good guidance of the cooling fluid in the direction of the side wall.
  • turbulators are arranged on the side wall adjacent to the edge zone. These turbulators can be formed both rib-shaped and pedestal-shaped or in another geometry. This additional generation of turbulence on a side wall increases the heat transfer coefficient and thus leads to a further improved cooling of the side wall.
  • the turbulators are arranged on the side wall measured from the edge zone to a height of at most 0.4, preferably 0.2 of the side wall height. Since the side wall extends transversely to the hot gas wall, the part of the side wall which is subjected to the highest thermal stress is that which borders on the hot gas wall. Therefore, only a part of the side wall needs to be intensified cooled by turbulators. In which only the indicated part of the side wall has turbulators, on the one hand the necessary cooling of the side wall, on the other hand a low pressure loss is made possible.
  • the object directed to a combustion chamber is achieved according to the invention by specifying a combustion chamber with a combustion chamber in which a hot gas can be generated and which has a cooling channel according to one of the embodiments described above. Accordingly, the object directed to a gas turbine is achieved by specifying a gas turbine with such a combustion chamber.
  • FIG. 1 shows a gas turbine 1.
  • the gas turbine 1 has a compressor 3, a combustion chamber 5 and a turbine part 7.
  • the combustion chamber 5 has a combustion chamber 6, which is bounded by lining elements, not shown, so-called liners. In these liners, each having a hot gas wall 13 toward the combustion chamber 6, a cooling channel 11 is formed.
  • ambient air 9 is sucked into the compressor 3.
  • the highly compressed air in the compressor 3 is passed as combustion air 9A in the combustion chamber 6 of the combustion chamber 5 and burned there with the addition of fuel to a hot gas 15.
  • This hot gas 15 is passed through the turbine part 7 and thereby drives the gas turbine 1 at.
  • a portion of the compressed air is passed as cooling fluid 9 B in the cooling channel 11.
  • the proportion of the cooling air 9B must remain as low as possible in the gas turbine 1 in order to have as much combustion air 9A as possible for the actual combustion, in particular, for example, in an open cooling concept. This directly influences the efficiency and also the nitrogen oxide emission of the gas turbine 1. Frequently, therefore, cooling air 9B is also returned in a closed circuit and subsequently supplied to the combustion as combustion air 9A.
  • the pressure built up in the compressor 3 stores potential energy, which in principle can also be used to drive the gas turbine 1. Pressure losses in the guide, in particular the cooling air 9B lead to a reduction of this potential energy and thus to a reduction of the efficiency.
  • the cooling channel 11 has a flat cross-section. With closed cooling, it is flowed through by cooling air 9B at high speed. This leads to high Reynolds numbers of the flow and thus in particular to problems in the cooling of the side wall portions of the flat cooling channel 11. To improve the cooling of the side walls with simultaneous low pressure loss, therefore, the cooling channel 11 is carried out as described below.
  • FIG. 2 shows in a cross section and a plan view of the embodiment of a non-inventive cooling channel 11, which is used in a lining element, a so-called liner 12, for lining the combustion chamber 5 of a gas turbine 1.
  • the liner 12 has a rectangular cross-section and is hollow, wherein the cavity forms the cooling channel 11.
  • the cooling channel 11 is thus formed of two side walls 21, a top wall 23 and a hot gas wall 13.
  • the side walls 21 are inclined relative to the Heisgaswand 13, preferably as shown here by an inclination angle of about 90 °.
  • the angle of inclination may also be less than 90 °.
  • the side wall 21 may also have a rounded, chamfered or beveled transition section, which adjoins the hot gas wall 13.
  • the side walls 21 form a cooling channel height H.
  • the hot gas wall 13 forms a cooling channel width B.
  • On the hot gas wall 13 is adjacent to a respective side wall 21, an edge zone 25 is formed, which has a edge zone width R, which is smaller than a quarter of the cooling channel width B.
  • a central zone M is formed on the hot gas wall 13.
  • the edge zone 25 of the hot gas wall 12 adjoins the side wall 21, which optionally has an inclined transition section - as already stated above.
  • concave depressions, so-called dimples 27, are arranged in the middle zone M.
  • the edge zones 25, however, are free of such Dimples 27.
  • the cooling channel 11 is now flowed through by the cooling air 9B.
  • the dimples 27 thereby generate longitudinal swirls in the flow and thereby ensure a considerable amount improved heat transfer coefficient and thus for improved cooling.
  • the solution with dimples 27 has a significantly lower pressure loss. Nevertheless, the pressure loss in the central zone M is still greater than that of the uninfluenced flow in the edge zones 25. This means that a transverse flow component in the direction of the side walls 21 is set perpendicular to the flow direction of the cooling air 9B. This in turn means an increased cooling of the side walls 21 and the edge zones 25.
  • the dimples 27 Since, actually, increased cooling is achieved by the dimples 27, the omission of such dimples 27 initially seems paradoxical with a view to setting improved cooling. However, according to the invention, the dimples 27 generate a longitudinal swirling which does not lead to effective cooling in the region of the side walls 21 and edge zones R. By now with the omission of Dimples 27 in the edge zones 25, a flow component is generated in the direction of the side walls 21 so, as stated above, an increased cooling of the side areas.
  • FIG. 3 shows one of the FIG. 2 corresponding cooling channel 11, but now 25 turbulators 31 are arranged in the edge zones.
  • the turbulators 31 are formed as longitudinal ribs, which are aligned parallel to each other and perpendicular to the flow direction, ie perpendicular to the side walls 21, at an angle ⁇ .
  • This angle ⁇ is preferably between 30 and 70 degrees, wherein particularly particularly at 45 degrees a particularly good effect could be determined.
  • the effect of these turbulators 31 is that turbulence generation improves the heat transfer and, on the other hand, the cooling fluid 9B in addition to that in FIG FIG. 2 described effect of the pressure loss difference is more strongly directed to the side wall 21 and the edge zone 25.
  • the turbulators 31 extend substantially over the entire edge zone width R, which, as well as in the free configuration of turbulators 31 of FIG FIG. 2 preferably about one to three times as large as the cooling channel height H.
  • the turbulators 31 are fragmented in their longitudinal direction, whereby a further improvement in the turbulence generation is achieved.
  • FIGS. 5 to 8 For example, additional turbulators 41 are arranged on the side wall 21, both as longitudinal ribs, as in FIGS. 5 and 6 shown, as well as in the form of sockets or surveys according to FIGS. 7 and 8 can be trained.
  • the side walls 21 are inclined relative to the Heisgaswand 13, preferably as shown here by an inclination angle of about 90 °. However, the angle of inclination may also be less than 90 °. In this case, the side wall 21 may also have a rounded, bevelled, or beveled transition section, which adjoins the hot gas wall 13.
  • the hot gas wall 13 comprises - as in FIG. 2 Not shown in detail is the additional or alternative arrangement of concave depressions, such as Dimples 27, on a side wall 21, which is possible depending on the cooling requirement. Preferably, these are arranged in a transition section of the side wall 21, in particular beyond the dimple-free edge zone 25.
  • the cooling channel height H is provided by the side wall 21 measured by the hot gas wall 13 with such turbulators 41.
  • the thermally higher loaded part of the side wall 21 is effectively cooled.
  • mutually opposite side walls 21 which delimit the cooling channel 11 may be configured with different turbulators 31 in shape and arrangement.
  • dimples 27 are then preferably in the region of the transition section of a thermally lower loaded side wall 21.
  • a thermally higher loaded side wall 21 preferably has web-shaped or knob-shaped turbulators 41 with high cooling effect in the transition section on.
  • the turbulators 41 in the form of longitudinal ribs, sockets or projections (knobs) or - as not shown - include concave depressions (dimples) can and combinations of it.
  • FIG. 9 shows a gas turbine blade 51.
  • the gas turbine blade 51 has a blade leading edge 53 and a trailing edge 55, between which a pressure side 57 and a suction side 59 extend.
  • the pressure side 57 and the suction side 59 enclose a cavity through which cooling air 9B is led along the blade axis.
  • the cavity forms the cooling channel 11.
  • this cooling channel 11 does not have a rectangular cross-section, it is nevertheless designed in the area of the blade leading edge 53 and the trailing edge 55 with edge zones corresponding to the previously described configurations.
  • the cooling channel 11 in the edge zones 25 without dimples 27, but with turbulators 31 and otherwise provided with dimples 27, a low-pressure-loss but effective cooling can be carried out especially the thermally stressed blade edges.
  • the cavity may also be divided by longitudinal ribs, so that a plurality of cooling channels 11 is formed be through which the cooling air 9B passes, for example, meandering.

Landscapes

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

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kühlkanal zur Führung eines Kühlfluids. Die Erfindung betrifft auch eine Brennkammer mit einem solchen Kühlkanal und eine Gasturbine mit einer solchen Brennkammer. Ein gattungsgemäßer Kühlkanal ist aus EP 1 400 750 A bekannt.
  • Eine Brennkammer geht hervor aus der US 4,944,152 A1 . Die Brennkammer umfasst einen Brennraum, der von einem Ringraum umgeben ist, in dem ein Kühlgas geführt wird. Zur Vermeidung hoher Temperaturgradienten sind streifenförmige Absätze in dem ringförmigen Kühlkanal vorgesehen, die einer Vergleichmäßigung der Kühlwirkung dienen.
  • Aus der US 5,469,817 ist eine Turbulatoranordnung bekannt, mit deren Hilfe Turbulenzen in einer Kühlflüssigkeit erzeugt werden um einen Wärmeübergang zu vergrößern. In der hier gezeigten Konfiguration sind die Turbulatoren halbrunde Erhebungen. Gebräuchlicher sind allerdings längliche, rippenförmige Turbulatoren, wie sie etwa aus der US 5,426,943 f ür die Turbulenzerzeugung in Kühlluft zur Kühlung einer Gasturbinenbrennkammer verwendet werden. Eine besonders effektive Kühlmethode ist die so genannte Prallkühlung, bei der das Kühlfluid aus Öffnungen senkrecht auf die zu kühlende Fläche strömt. Bei einer solchen Prallkühlung kommt es aber zu einem erheblichen Druckverlust. Beschrieben ist eine solche Prallkühlung beispielsweise in der US 6,314,716 B1 .
  • Die US 6,134,877 beschreibt für eine Gasturbine eine Prallkühlung kombiniert mit rippenförmigen Turbulatoren im Bereich der Gasturbinenbrenner.
  • Ein neueres Konzept zur Erhöhung eines Wärmeübergangs sieht bei der Kühlung durch ein Kühlfluid auf der zu kühlenden Oberfläche konkave Vertiefungen, so genannte Dimpels vor. Ein solches Konzept zur Kühlung einer Brennkammer ist beschrieben in der US 6,098,397 A1 . Bei einer solchen gedimpelten Oberfläche wird nicht nur eine sehr hohe Wärmeübergangszahl erreicht, sondern gleichzeitig ein vergleichsweise niedriger Druckverlust ermöglicht. Die in der US 6,098,397 A1 beschriebene Lösung beschreibt allerdings nicht die Kühlung durch einen Kühlkanal mit Randzonen, da lediglich ein ringspaltförmiger Kühlkanal offenbart ist. Bei der Verwendung eines seitlich begrenzten Kühlkanals kommt es zu einer Komplikation durch Randströmungseffekte und einer damit verbundenen schwierigen Kühlbarkeit dieser Randzonen. Auch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten und hohen Reynoldszahlen ist die Kühlung eines solchen Seitenwandbereichs sehr problematisch.
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkanal mit einer Seitenwand anzugeben, der bei einem niedrigen Druckverlust eine gute Kühlung des Seitenwandbereichs ermöglicht. Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer besonders gut kühlbaren Brennkammer und einer Gasturbine mit einer gut kühlbaren Brennkammer.
  • Erfindungsgemäß wird die auf einen Kühlkanal gerichtete Aufgabe durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
  • Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die konkaven Vertiefungen, die wie oben erwähnt auch Dimples genannt werden, zwar eine sehr gute Wärmeübergangszahl und damit eine gute Kühlung bei gleichzeitig niedrigem Druckverlust ermöglichen, durch die Erzeugung von Längswirbeln aber nur unzureichend einen Seitenwandbereich eines relativ flachen Kühlkanals kühlen.
  • In der Randzone der Heißgaswand sind Turbulatoren angeordnet. Eine weiter verbesserte Kühlung der Seitenwand und der Randzone wird durch Querwirbel erreicht, im Gegensatz zu den durch die Dimples erzeugten Längswirbeln. Solche Querwirbel werden durch die angegebenen Turbulatoren erzeugt. Die Kombination von Dimples im Zentralbereich des Kühlkanals und von vorzugsweise rippenförmigen Turbulatoren in der Randzone ergibt somit eine optimierte Kühlung sowohl mit Blick auf geringen Druckverlust als auch mit Blick auf gute Kühlung der Randzonen und Seitenwände.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Seitenwände einen gegenüber der Heißgaswand geneigten Übergangsabschnitt auf, der an die Randzone der Heißgaswand angrenzt. Vorteilhafterweise kann der Neigungswinkel dabei ja nach konstruktiver Anforderung und thermomechanischer Belastung festgelegt werden. Durch den geneigten Übergangsabschnitt ist überdies ein weiter verbesserter Transport des Kühlmittels in Richtung auf die Seitenwand erreicht.
  • Hierbei weist der Übergangsabschnitt bevorzugt eine Rundung oder Fase mit einem Rundungsradius auf.
  • Weiter bevorzugt sind auf einer Seitenwand, insbesondere im Übergangsabschnitt der Seitenwand, Turbulatoren angeordnet sind.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Kühlkanals sind auf einer Seitenwand, insbesondere in dem Übergangsabschnitt der Seitenwand, konkave Vertiefungen angeordnet.
  • Bei einer Ausgestaltung der Seitenwand mit einem Übergangsabschnitt wie oben beschrieben befinden sich konkave Vertiefungen, z.B. sphärische Dimples, dann vorzugsweise im Bereich des Übergangsabschnitts einer thermisch niedriger belasteten Seitenwand. Eine thermisch höher belastete Seitenwand weist hingegen vorzugsweise im Übergangsabschnitt stegförmigen oder noppenförmigen Turbulatoren mit hoher Kühlwirkung auf. Diese können als Chevron ausgeführt sein, d.h. im wesentlichen V-förmige Geometrie aufweisen mit einem bedarfsweise spitzen oder auch stumpfen Öffnungswinkel. Auf diese Weise ist eine je nach thermischer Belastung der Seitenwand lokal gut angepasste Kühlstruktur auf der Seitenwand flexibel realisierbar, die Turbulatoren in Form von Längsrippen, Sockeln, Erhebungen (Noppen) oder Chevrons (Noppen) oder bedarfsweise auch konkave Vertiefungen umfassen kann und/oder auch Kombinationen aus all diesen einen gewünschten Kühleffekt bewirkende Strömungselementen.
  • Bevorzugtermaßen ist die Randzonenbreite etwa halb so groß bis etwa eineinhalbfach so groß wie die Kühlkanalhöhe. Bei diesen Größenverhältnissen der Randzonenbreite und zur Kühlkanalhöhe ergibt sich der beste Kompromiss zwischen Druckverlust und Randzonenkühlung.
  • Vorzugsweise sind die Turbulatoren auf der Heißgaswand so orientiert, dass sie das Kühlfluid in Richtung auf die Seitenwand leiten. Vorzugsweise weisen die Turbulatoren eine Längserstreckung auf und erstrecken sich in einem Winkel zwischen 20 und 70 Grad, weiter bevorzugt zwischen 30 und 60 Grad gemessen senkrecht zur Strömungsrichtung. Bei einer solchen Ausrichtung ergibt sich für die Turbulatoren eine besonders gute Führung des Kühlfluids in Richtung auf die Seitenwand.
  • Bevorzugt sind auf der an die Randzone angrenzenden Seitenwand Turbulatoren angeordnet. Diese Turbulatoren können sowohl rippenförmig als auch sockelförmig oder in anderer Geometrie ausgebildet sein. Diese zusätzliche Turbulenzerzeugung an einer Seitenwand erhöht die Wärmeübergangszahl und führt somit zu einer weiter verbesserten Kühlung der Seitenwand.
  • Weiter bevorzugt sind die Turbulatoren auf der Seitenwand gemessen von der Randzone bis zu einer Höhe von höchstens 0,4, bevorzugt 0,2 der Seitenwandhöhe angeordnet. Da die Seitenwand sich quer zur Heißgaswand erstreckt, ist der thermisch höchst belastete Teil der Seitenwand jener, der an die Heißgaswand grenzt. Daher braucht nur ein Teil der Seitenwand durch Turbulatoren verstärkt gekühlt zu werden. In dem lediglich der angegebene Teil der Seitenwand Turbulatoren aufweist, wird einerseits die notwendige Kühlung der Seitenwand, andererseits ein geringer Druckverlust ermöglicht.
  • Die auf eine Brennkammer gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Angabe einer Brennkammer mit einem Brennraum, in dem ein Heißgas erzeugbar ist und die einen Kühlkanal gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungen aufweist. Entsprechend wird die auf eine Gasturbine gerichtete Aufgabe gelöst durch Angabe einer Gasturbine mit einer solchen Brennkammer.
  • Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen, teilweise schematisch und nicht maßstäblich:
    • FIG 1
    eine Gasturbine,
    FIG 2 bis 4
    einen Kühlkanal,
    FIG 5 bis 8
    Ausgestaltungen von Turbulatoren in einem Kühlkanal und
    FIG 9
    eine Gasturbinenschaufel.
  • FIG 1 zeigt eine Gasturbine 1. Die Gasturbine 1 weist einen Verdichter 3, eine Brennkammer 5 und ein Turbinenteil 7 auf. Die Brennkammer 5 weist einen Brennraum 6 auf, der von nicht näher dargestellten Auskleidungselementen, so genannten Linern, begrenzt ist. In diesen Linern, die jeweils zum Brennraum 6 hin eine Heißgaswand 13 aufweisen, ist ein Kühlkanal 11 ausgebildet. Im Betrieb der Gasturbine wird Umgebungsluft 9 in den Verdichter 3 angesaugt. Die im Verdichter 3 hoch verdichtete Luft wird als Verbrennungsluft 9A in den Brennraum 6 der Brennkammer 5 geleitet und dort unter Zugabe von Brennstoff zu einem Heißgas 15 verbrannt. Dieses Heißgas 15 wird durch den Turbinenteil 7 geleitet und treibt dabei die Gasturbine 1 an. Ein Teil der verdichteten Luft wird als Kühlfluid 9B in den Kühlkanal 11 geleitet. Der Anteil der Kühlluft 9B muss bei der Gasturbine 1 möglichst gering bleiben, um möglichst viel Verbrennungsluft 9A für die eigentliche Verbrennung zur Verfügung zu haben, insbesondere z.B. bei einem offenen Kühlungskonzept. Dies beeinflusst unmittelbar den Wirkungsgrad und auch die Stickoxidemission der Gasturbine 1. Häufig wird daher auch Kühlluft 9B in einem geschlossenen Kreislauf zurückgeleitet und anschließend als Verbrennungsluft 9A der Verbrennung zugeführt. Der im Verdichter 3 aufgebaute Druck speichert potenzielle Energie, die prinzipiell auch zum Antrieb der Gasturbine 1 verwendet werden kann. Druckverluste bei der Führung, insbesondere der Kühlluft 9B führen aber zu einer Verringerung dieser potenziellen Energie und damit zu einer Verringerung des Wirkungsgrads.
  • Eine besonders druckverlustarme Führung des Kühlfluids 9B ist daher wünschenswert. Der Kühlkanal 11 weist einen flachen Querschnitt auf. Bei geschlossener Kühlung wird er von Kühlluft 9B mit hoher Geschwindigkeit durchströmt. Dies führt zu hohen Reynoldszahlen der Strömung und damit insbesondere auch zu Problemen bei der Kühlung der Seitenwandbereiche des flachen Kühlkanals 11. Zur Verbesserung der Kühlung der Seitenwände bei gleichzeitigem niedrigem Druckverlust wird daher der Kühlkanal 11 wie im Folgenden beschrieben ausgeführt.
  • FIG 2 zeigt in einem Querschnitt und einer Aufsicht die Ausgestaltung eines nicht erfindungsgemäßen Kühlkanals 11, der in einem Auskleidungselement, einem so genannten Liner 12, zur Auskleidung der Brennkammer 5 einer Gasturbine 1 verwendet wird. Der Liner 12 weist einen rechteckigen Querschnitt auf und ist hohl ausgebildet, wobei der Hohlraum den Kühlkanal 11 bildet. Der Kühlkanal 11 ist somit aus zwei Seitenwänden 21, einer Deckwand 23 und einer Heißgaswand 13 gebildet. Die Seitenwände 21 sind gegenüber der Heisgaswand 13 geneigt, vorzugsweise wie hier dargestellt um einen Neigungswinkel von etwa 90°. Die Neigungswinkel kann aber auch kleiner als 90° Dabei kann die Seitenwand 21 auch einen abgerundeten, abgeschrägten, oder gefasten Übergangsabschnitt aufweisen, der an die Heißgaswand 13 anschließt. Die Seitenwände 21 bilden eine Kühlkanalhöhe H. Die Heißgaswand 13 bildet eine Kühlkanalbreite B. Auf der Heißgaswand 13 ist angrenzend an jeweils eine Seitenwand 21 eine Randzone 25 ausgebildet, die eine Randzonenbreite R aufweist, die kleiner als ein Viertel der Kühlkanalbreite B ist. Zwischen den Randzonen 25 ist eine Mittelzone M auf der Heißgaswand 13 ausgebildet. Die Randzone 25 der Heißgaswand 12 grenzt an die Seitenwand 21 an, die wahlweise einen geneigten Übergangsabschnitt - wie oben bereits ausgeführt - aufweist. In der Mittelzone M sind konkave Vertiefungen, so genannte Dimples 27, angeordnet. Die Randzonen 25 hingegen sind frei von solchen Dimples 27. Der Kühlkanal 11 wird nun von der Kühlluft 9B durchströmt. Die Dimples 27 erzeugen dabei in der Strömung Längswirbel und sorgen hierdurch für eine erheblich verbesserte Wärmeübergangszahl und damit für eine verbesserte Kühlung. Im Vergleich zur Verwendung von Turbulatoren 31, d.h. Vorsprüngen die in der Strömung der Kühlluft 9B Turbulenzen erzeugen und hierdurch den Wärmeübergang verbessern, weist die Lösung mit Dimples 27 einen deutlich niedrigeren Druckverlust auf. Nichts desto trotz ist der Druckverlust in der Mittelzone M immer noch größer als jener der unbeeinflussten Strömung in den Randzonen 25. Dies bedeutet, dass senkrecht zur Strömungsrichtung der Kühlluft 9B ein Querströmungsanteil in Richtung auf die Seitenwände 21 eingestellt wird. Dies wiederum bedeutet eine verstärkte Kühlung der Seitenwände 21 und der Randzonen 25. Da eigentlich durch die Dimples 27 ja eine verstärkte Kühlung erreicht wird, erscheint zunächst das Weglassen solcher Dimples 27 widersinnig mit Blick auf Einstellen einer verbesserten Kühlung. Nach der Erkenntnis der Erfindung erzeugen die Dimples 27 aber eine Längsverwirbelung, die im Bereich der Seitenwände 21 und Randzonen R nicht zu einer effektiven Kühlung führt. Indem nun mit dem Weglassen von Dimples 27 in den Randzonen 25 eine Strömungskomponente in Richtung auf die Seitenwände 21 erzeugt wird erreicht man also, wie oben ausgeführt, eine verstärkte Kühlung der Seitenbereiche.
  • FIG 3 zeigt einen der Figur 2 entsprechenden Kühlkanal 11, wobei nunmehr aber in den Randzonen 25 Turbulatoren 31 angeordnet sind. In dieser Konfiguration sind die Turbulatoren 31 als Längsrippen ausgebildet, die zueinander parallel und zur Senkrechten auf die Strömungsrichtung, d.h. senkrecht zu den Seitenwänden 21, in einem Winkel α ausgerichtet sind. Dieser Winkel α liegt vorzugsweise zwischen 30 und 70 Grad, wobei besonders bevorzugt bei 45 Grad eine besonders gute Wirkung festgestellt werden konnte. Die Wirkung dieser Turbulatoren 31 liegt einerseits darin, dass durch Turbulenzerzeugung der Wärmeübergang verbessert wird und andererseits das Kühlfluid 9B zusätzlich zu dem in FIG 2 beschriebenen Effekt des Druckverlustunterschieds noch verstärkt auf die Seitenwand 21 und die Randzone 25 geleitet wird. Die Turbulatoren 31 erstrecken sich im Wesentlichen über die gesamte Randzonenbreite R, wobei diese wie auch in der von Turbulatoren 31 freien Konfiguration der FIG 2 bevorzugt etwa ein bis dreimal so groß ist wie die Kühlkanalhöhe H.
  • In einer weiteren Ausgestaltung gemäß FIG 4 sind die Turbulatoren 31 in ihrer Längsrichtung gestückelt, wodurch eine weitere Verbesserung in der Turbulenzerzeugung erreicht wird.
  • In den Figuren 5 bis 8 sind zusätzliche Turbulatoren 41 auf der Seitenwand 21 angeordnet, die sowohl als Längsrippen, wie in FIG 5 und 6 dargestellt, als auch in Form von Sockeln oder Erhebungen gemäß Figuren 7 und 8 ausgebildet sein können.
  • Die Seitenwände 21 sind gegenüber der Heisgaswand 13 geneigt, vorzugsweise wie hier dargestellt um einen Neigungswinkel von etwa 90°. Die Neigungswinkel kann aber auch kleiner als 90° Dabei kann die Seitenwand 21 auch einen abgerundeten, abgeschrägten, oder mittels einer Fase gefassten Übergangsabschnitt aufweisen, der an die Heißgaswand 13 anschließt. Die Heißgaswand 13 umfasst dabei - wie in Figur 2 im Detail ausgeführt - eine Mittelzone M und eine Randzone 25. Nicht näher dargestellt ist die zusätzliche oder alternative Anordnung von konkaven Vertiefungen, z.B. Dimples 27, auf einer Seitenwand 21, die je nach Kühlungsanforderung möglich ist. Bevorzugt sind diese in einem Übergangsabschnitt der Seitenwand 21 angeordnet, insbesondere jenseits der dimplefreien Randzone 25. Vorzugsweise ist etwa 20 % der Kühlkanalhöhe H von der Seitenwand 21 gemessen von der Heißgaswand 13 mit solchen Turbulatoren 41 versehen. Hierdurch wird der thermisch höher belastete Teil der Seitenwand 21 effektiv gekühlt. Dabei können einander gegenüberliegende Seitenwände 21, die den Kühlkanal 11 begrenzen, mit in Form und Anordnung unterschiedlichen Turbulatoren 31 ausgestaltet sein. Beispielsweise kann eine ggf. thermisch höher belastete Seitenwand 21 mit stegförmigen oder noppenförmigen Turbulatoren 41 mit hoher Kühlwirkung und die andere gegenüberliegende Seitenwand 21, die möglicherweise thermisch niedriger belastet ist, mit konkaven Vertiefungen in der Seitenwand 21 - z.B. Dimples 27 - mit etwas niedrigerer Kühlwirkung ausgestaltet sein.
  • Bei einer Ausgestaltung der Seitenwand 21 mit einem Übergangsabschnitt (nicht näher dargestellt) befinden sich Dimples 27 dann vorzugsweise im Bereich des Übergangsabschnitts einer thermisch niedriger belasteten Seitenwand 21. Eine thermisch höher belastete Seitenwand 21 weist hingegen vorzugsweise im Übergangsabschnitt stegförmigen oder noppenförmigen Turbulatoren 41 mit hoher Kühlwirkung auf.
  • Auf diese Weise ist eine je nach thermischer Belastung der Seitenwand 21 lokal gut angepasste Kühlstruktur auf der Seitenwand 21 flexibel realisierbar, die Turbulatoren 41 in Form von Längsrippen, Sockeln oder Erhebungen (Noppen) oder - wie nicht näher dargestellt - konkave Vertiefungen (Dimples) umfassen kann und Kombinationen daraus.
  • FIG 9 zeigt eine Gasturbinenschaufel 51. Die Gasturbinenschaufel 51 weist eine Schaufel-Vorderkante 53 und eine Abströmkante 55 auf, zwischen denen sich eine Druckseite 57 und eine Saugseite 59 erstrecken. Die Druckseite 57 und die Saugseite 59 umschließen einen Hohlraum, durch den entlang der Schaufelachse Kühlluft 9B geleitet wird. Der Hohlraum bildet den Kühlkanal 11. Auch wenn dieser Kühlkanal 11 keinen rechteckigen Querschnitt aufweist, so ist er doch im Bereich der Schaufelvorderkante 53 und der Abströmkante 55 mit Randzonen entsprechend den vorher beschriebenen Konfigurationen gestaltet. Indem nun der Kühlkanal 11, wie vorher beschrieben, in den Randzonen 25 ohne Dimples 27 , aber mit Turbulatoren 31 und sonst mit Dimples 27 versehen wird, kann eine druckverlustarme aber effektive Kühlung insbesondere auch der thermisch besonders belasteten Schaufelkanten erfolgen. In der Gasturbinenschaufel 51 kann der Hohlraum auch durch Längsrippen unterteilt sein, so dass mehrere Kühlkanäle 11 gebildet werden, durch die die Kühlluft 9B z.B. auch mäandrierend hindurchtritt.

Claims (14)

  1. Kühlkanal (11) zur Führung eines Kühlfluides (9B) entlang einer Strömungsrichtung, mit einer quer zur Strömungsrichtung sich erstreckenden, von Seitenwänden (21) gebildeten Kühlkanalhöhe (H) und durch eine Heißgaswand (13) gebildete Kühlkanalbreite (B), wobei die Kühlkanalbreite (B) größer ist als die Kühlkanalhöhe (H) und wobei eine sich entlang der Strömungsrichtung an eine der Seitenwände (21) angrenzende Randzone (25) mit einer quer zur Strömungsrichtung gemessenen Randzonenbreite (R) auf der Heißgaswand(13) gebildet ist, die sich bis maximal zu einem Viertel der Kühlkanalbreite (B) erstreckt, wobei nur außerhalb der Randzone (25) auf der Heißgaswand (11) konkave Vertiefungen angeordnet sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass in der Randzone (25) der Heißgaswand (13) Turbulatoren (31) angeordnet sind.
  2. Kühlkanal (11) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwand (21) einen gegenüber der Heißgaswand (13) geneigten Übergangsabschnitt aufweist, der an die Randzone (25) der Heißgaswand (13) angrenzt.
  3. Kühlkanal (11) nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsabschnitt eine Rundung oder Fase aufweist.
  4. Kühlkanal (11) nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Seitenwand (21), insbesondere im Übergangsabschnitt, Turbulatoren (31) angeordnet sind.
  5. Kühlkanal (11) einem der Ansprüche 2 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Seitenwand (21), insbesondere in dem Übergangsabschnitt, konkave Vertiefungen angeordnet sind.
  6. Kühlkanal (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Randzonenbreite (B) halb so groß bis etwa doppelt so groß wie die Kühlkanalhöhe ist.
  7. Kühlkanal (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Randzonenbreite (B) mindestens halb so groß, bis eineinhalbfach so groß wie die Kühlkanalhöhe (H) ist.
  8. Kühlkanal (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Turbulatoren (31) auf der Heißgaswand (13) so orientiert sind, dass sie das Kühlfluid (9B) in Richtung auf die Seitenwand (21) leiten.
  9. Kühlkanal (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass auf der an die Randzone (25) angrenzenden Seitenwand (21) Turbulatoren (41) angeordnet sind.
  10. Kühlkanal (11) nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Turbulatoren (41) auf der Seitenwand (21) gemessen von der Randzone (25) bis zu einer Höhe von höchstens 0,4 mal, bevorzugt 0,2 mal der Seitenwandhöhe angeordnet sind.
  11. Kühlkanal (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Turbulatoren (31, 41) eine Längserstreckung aufweisen und sich in einem Winkel zwischen 20 und 70 Grad, bevorzugt zwischen 30 und 60 Grad, gemessen senkrecht zur Strömungsrichtung erstrecken.
  12. Brennkammer (5) mit einem Brennraum (6) in dem ein Heißgas (15) erzeugbar ist und mit einem Kühlkanal (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Heißgaswand (13) den Brennraum (6) begrenzt.
  13. Gasturbinenschaufel (51), die hohl ausgebildet ist, wobei der Hohlraum einen Kühlkanal (11) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche bildet.
  14. Gasturbine (1) mit einer Brennkammer (5) nach Anspruch 12.
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