EP1959096A2 - Verfahren zur Prallluftkühlung für Gasturbinen - Google Patents

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EP1959096A2
EP1959096A2 EP08151497A EP08151497A EP1959096A2 EP 1959096 A2 EP1959096 A2 EP 1959096A2 EP 08151497 A EP08151497 A EP 08151497A EP 08151497 A EP08151497 A EP 08151497A EP 1959096 A2 EP1959096 A2 EP 1959096A2
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cooling
wall
air
cooling air
impingement
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Wolfgang Nitsche
Matthias Reyer
Frank Haselbach
Erik Janke
Jens Täge
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    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
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    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
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    • F01D5/187—Convection cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/201—Heat transfer, e.g. cooling by impingement of a fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/03044—Impingement cooled combustion chamber walls or subassemblies

Definitions

  • the invention relates to a method for impingement air cooling for gas turbines, in which cooling air impinges on formed in a partition impingement air openings in separate cooling air jets on the wall to be cooled wall area.
  • impingement air cooling In gas turbine engines and stationary gas turbines, it is known to cool the highly heated components in the turbine such as rotor blades, vanes, liners or combustion chamber walls with a portion of the compressor air by means of impingement air.
  • impingement air cooling the cooling air, as a steady stream of air, reaches the surface to be cooled via relatively small impingement cooling bores. Due to the strong pressure drop in the impingement cooling bores in each case a powerful air jet is formed, which causes a high heat transfer in each case in a localized area of the wall surface to be cooled.
  • the EP 0 892 151 A1 For example, a channel formed in the leading edge of a turbine blade is exposed to impingement air via cooling holes from a main channel supplied with cooling air and is passed longitudinally through the blade height. An optimal cooling effect of the impact air jets is not achieved in this way.
  • the disclosed EP 0 698 724 B1 a special blade formation for impingement air cooling of the trailing edge of a turbine blade with which the cooling effect of the impingement air reduced by crossflows in the impingement cooling air streams is to be improved.
  • the EP 0 889 201 A1 suggests a specific shape of the wall surface to be cooled in order to increase the cooling effect of the impingement air jets.
  • the invention has for its object to provide a method for impact air cooling acted upon by hot combustion gases components of a gas turbine, with which the cooling effect of the impact air can be improved.
  • the basic idea of the invention is that ring vortex structures are produced in the space between the impingement air openings and the wall of the engine component to be cooled instead of a continuous impingement air stream at a distance by the impingement air openings on the input side with in a certain frequency and with certain amplitude with cooling air pulses be charged.
  • a certain amplitude of the cooling air pulses and a matched size of the impingement air openings are strong ring vortex structures
  • the temperature gradients on the component wall become due to the dynamic response behavior of the temperature boundary layer on average over time higher and thereby the heat transfer is increased on the wall of the component to be cooled.
  • Ring vortex structures for maximum cooling effect highest intensity are achieved by a correspondingly larger amplitude, preferably at a certain resonant frequency
  • the distance between the partition wall and the wall region to be cooled is chosen according to the invention such that resonance conditions prevail between the ring vortices generated at the impact air openings and the pressure waves induced and reflected due to the occurring ring vortices and thus an intensification of the ring vortex structures can be observed.
  • the periodic generation of the ring vortex structures is interrupted at regular intervals, by the regularly recurring pauses in the periodic ring vorticity of the cooling air mass flow can be reduced with the same cooling effect.
  • the improved cooling effect due to the ring vortex structures of the impingement air generated in a certain frequency reduces the cooling air requirement and increases the efficiency of the turbine or the life of the highly heated turbine components.
  • a cavity 1 of an engine component for example, a blade of a turbine stage
  • a temperature T cool a time-varying, ie in the speed periodically - for example, sinusoidal - changing cooling air mass flow, consisting of at a time interval consecutive cooling air velocity sacred V cool (t) with a certain amplitude V cool , introduced.
  • a hot gas with a temperature T and a velocity V flows along the outer wall 3 of the engine component to be cooled.
  • a partition wall 2 with impact air openings 4 is arranged at a distance from the outer wall 3, which with the temporally successive speed packets V cool (t ) of the unsteady cooling air mass flow are applied.
  • the cooling air reaches the inner surface of the outer wall 3 and flows in a transverse flow at the speed V cross in the cooling air channel formed between the outer wall 3 and the partition 2 5 via openings, not shown, for example, film cooling holes, to the outside. Due to the periodic loading of the impingement air openings 4 with the cooling air velocity packets V cool (t), periodically successive strong ring vortex structures 6 are formed at their exit when they impinge on the transverse flow.
  • the annular vortex structures 6 of the cooling air are able to substantially completely penetrate the cooling air channel 5 present between the dividing wall and the outer wall or the transverse flow present in the outer wall and thus strike the inner surface of the outer wall 3 with high intensity, which is better than with is cooled according to the prior art provided a steady impingement air flow.
  • the new cooling method can be used on stationary gas turbines and gas turbine engines for impingement air cooling of rotor blades, vanes, liners and platforms as well as turbine and combustor housings.

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Abstract

Bei der Prallluftkühlung von Gasturbinenkomponenten werden Prallluftöffnungen mit Kühlluftgeschwindigkeitspaketen von bestimmter Amplitude in einer vorgegebenen Frequenz beaufschlagt, wobei sich aufeinander folgende Ringwirbelstrukturen ausbilden, die die Querströmung durchdringen und mit hoher Intensität auf das zu kühlende Bauteil treffen und dadurch für eine effiziente Kühlung sorgen. Zur Erzielung von Ringwirbelstrukturen mit optimaler Kühlwirkung liege die Strouhalzahl, die durch das Verhältnis zwischen der Amplitude und der Frequenz der Geschwindigkeitspakete und der Größe der Prallluftkühlöffnungen bestimmt ist, zwischen 0,2 und 2,0, vorzugsweise zwischen. 0,8 und 1,2.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prallluftkühlung für Gasturbinen, bei dem Kühlluft über in einer Trennwand ausgebildete Prallluftöffnungen in separaten Kühlluftstrahlen auf den zu kühlenden Wandbereich prallt.
  • Bei Gasturbinentriebwerken und stationären Gasturbinen ist es bekannt, die stark erwärmten Komponenten im Bereich der Turbine wie Rotorschaufeln, Leitschaufeln, Liner oder Brennkammerwände mit einem Teil der Kompressorluft mittels Prallluft zu kühlen. Bei der Prallluftkühlung gelangt die Kühlluft als stetiger Luftstrahl über relativ kleine Prallkühlbohrungen auf die zu kühlende Fläche. Aufgrund des starken Druckabfalls in den Prallkühlbohrungen wird jeweils ein kräftiger Luftstrahl ausgebildet, der jeweils in einem örtlich begrenzten Bereich der zu kühlenden wandfläche einen hohen Wärmeübergang bewirkt. Die Prallluftkühlung hat sich zwar als eines der effektivsten Verfahren zur Innenkühlung bei Gasturbinen bewährt, jedoch hat es nicht an Versuchen gefehlt, dieses Kühlprinzip weiter zu verbessern.
  • Gemäß der EP 0 892 151 A1 wird ein in der Vorderkante einer Turbinenschaufel ausgebildeter Kanal über Kühlbohrungen aus einem mit Kühlluft versorgten Hauptkanal mit Prallluft beaufschlagt und über die Schaufelhöhe längsdurchströmt. Eine optimale Kühlwirkung der Prallluftstrahlen wird auf diese weise nicht erreicht. Demgegenüber offenbart die EP 0 698 724 B1 eine spezielle Schaufelausbildung zur Prallluftkühlung der Hinterkante einer Turbinenschaufel, mit der die durch Querströme in den Prallkühlluftströmen verminderte Kühlwirkung der Prallluft verbessert werden soll. Die EP 0 889 201 A1 schlägt eine spezifische Form der zu kühlenden Wandfläche vor, um die Kühlwirkung der Prallluftstrahlen zu erhöhen.
  • Bei einem Kühlsystem für die Turbinenschaufeln einer Gasturbine, das nicht auf dem Prinzip der Prallkühlung beruht, ist es weiterhin bekannt, die Kühlluft mit Hilfe eines Strömungsoszillators mit einer vorgegebenen Frequenz intermittierend in die zu kühlende Turbinenschaufel einzubringen und den pulsierenden Luftstrom nach dem Passieren der in der Schaufel ausgebildeten Kammern durch Öffnungen in der Schaufelhinterkante und der Schaufeloberkante wieder nach außen zu führen. Die Pulsation der Luft anstelle einer stetigen Luftzufuhr in das Schaufelinnere soll die konvektive Wärmeübertragung und damit die Kühlwirkung der zugeführten Kühlluft verbessern.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Prallluftkühlung von mit heißen verbrennungsgasen beaufschlagten Komponenten einer Gasturbine anzugeben, mit dem die Kühlwirkung der Prallluft verbessert werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Aus den Unteransprüchen ergeben sich weitere Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Der Grundgedanke der Erfindung besteht mit anderen Worten darin, dass in dem Raum zwischen den Prallluftöffnungen und der zu kühlenden Wand der Triebwerkskomponente anstelle eines stetigen Prallluftstroms in zeitlichem Abstand Ringwirbelstrukturen erzeugt werden, indem die Prallluftöffnungen eingangsseitig mit in einer bestimmten Frequenz und mit bestimmter Amplitude mit Kühlluftimpulsen beaufschlagt werden. Bei einer bestimmten Amplitude der Kühlluftimpulse und einer darauf abgestimmten Größe der Prallluftöffnungen werden kräftige Ringwirbelstrukturen erzeugt, die die bestehende Querströmung an der zu kühlenden wandfläche durchdringen und mit der Frequenz Kühlluftgeschwindigkeitspakete oder Kühlluftimpulse vollständig bis an die betreffende Wandfläche gelangen, Infolge der in einer bestimmten Frequenz erzeugten Ringwirbel werden die Temperaturgradienten an der Bauteilwand aufgrund des dynamischen Antwortverhaltens der Temperaturgrenzschicht im zeitlichen Mittel höher und dadurch wird der Wärmeübergang an der Wand des zu kühlenden Bauteils erhöht.
  • Die Beziehung zwischen der Größe (D) der Prallluftöffnung, der Luftgeschwindigkeit (Vcool) in der Prallluftöffnung (Amplitude der Kühlluftgeschwindigkeitspakete) und der Frequenz (f), mit der die Prallluftöffnungen mit den Kühlluftimpulsen beaufschlagt werden, spiegelt sich in der sog. Strouhalzahl Sr = f × D / V cool
    Figure imgb0001
     wider, die erfindungsgemäß zwischen 0,2 und 2,0 liegt und vorzugsweise zwischen 0,8 und 1,2 beträgt.
  • Ringwirbelstrukturen mit für eine maximale Kühlwirkung höchster Intensität werden durch eine entsprechend größere Amplitude, vorzugsweise bei einer bestimmten Resonanzfrequenz erzielt,
  • Der Abstand zwischen der Trennwand und dem zu kühlenden Wandbereich wird erfindungsgemäß so gewählt, dass zwischen den an den Prallluftöffnungen erzeugten Ringwirbeln und den aufgrund der auftretenden Ringwirbel induzierten und reflektierten Druckwellen Resonanzbedingungen herrschen und dadurch eine Intensivierung der RingwirbelStrukturen zu verzeichnen ist.
  • In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird die periodische Erzeugung der Ringwirbelstrukturen in zeitlich regelmäßigen Abständen unterbrochen, Durch die regelmäßig wiederkehrenden Pausen in der periodischen Ringwirbelerzeugung kann der Kühlluftmassenstrom bei gleicher Kühlwirkung verringert werden.
  • Die aufgrund der in einer bestimmten Frequenz erzeugten Ringwirbelstrukturen der Prallluft verbesserte Kühlwirkung vermindert den Kühlluftbedarf und erhöht den Wirkungsgrad der Turbine oder die Lebensdauer der hoch erhitzten Turbinenkomponenten.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung, in deren einziger Figur schematisch eine Teilansicht einer in einem Heißgastrom angeordneten Triebwerkskomponente wiedergegeben ist, näher erläutert.
  • In einen Hohlraum 1 einer Triebwerkskomponente, beispielsweise einer Leitschaufel einer Turbinenstufe, wird mit einer Temperatur Tcool ein zeitabhängig variierender, das heißt sich in der Geschwindigkeit periodisch - beispielsweise sinusförmig - ändernder Kühlluftmassenstrom, bestehend aus in zeitlichem Abstand aufeinander folgenden Kühlluftgeschwindigkeitsidaketen Vcool(t) mit einer bestimmten Amplitude Vcool, eingebracht. Entlang der zu kühlenden Außenwand 3 der Triebwerkskomponente strömt ein Heißgas mit einer Temperatur T und einer Geschwindigkeit V. In dem Hohlraum 1 ist im Abstand von der Außenwand 3 eine Trennwand 2 mit Prallluftöffnungen 4 angeordnet, die mit den zeitlich aufeinander folgenden Geschwindigkeitspaketen Vcool(t) des unstetigen Kühlluftmassenstroms beaufschlagt werden. Die Kühlluft gelangt an die Innenfläche der Außenwand 3 und strömt in einer Querströmung mit der Geschwindigkeit Vcross in dem zwischen der Außenwand 3 und der Trennwand 2 gebildeten Kühlluftkanal 5 über nicht dargestellte Öffnungen, beispielsweise Filmkühlöffnungen, nach außen. Aufgrund der periodischen Beaufschlagung der Prallluftöffnungen 4 mit den Kühlluftgeschwindigkeitspaketen Vcool(t) werden an deren Ausgang mit dem Auftreffen auf die Querströmung periodisch aufeinander folgende kräftige Ringwirbelstrukturen 6 ausgebildet. Die Ringwirbelstrukturen 6 der Kühlluft sind in der Lage, den zwischen der Trennwand und der Außenwand vorhandenen Kühlluftkanal 5 bzw. die in diesem vorhandene Querströmung im Wesentlichen vollständig zu durchdringen und treffen somit mit hoher Intensität auf die Innenfläche der Außenwand 3, die dadurch besser als mit einem nach dem Stand der Technik vorgesehenen stetigen Prallluftstrom gekühlt wird.
  • Aufgrund der hohen Effizienz der unstetigen Prallluftkühlung erhöht sich bei gleicher Kühlluftmenge die Lebensdauer der betreffenden Turbinenkomponenten oder der Kühlluftbedarf wird verringert und der Wirkungsgrad der Turbine wird verbessert. Das neue Kühlverfahren kann bei stationären Gasturbinen und Gasturbinentriebwerken zur Prallluftkühlung von Rotorschaufeln, Leitschaufeln, Linern und Plattformen sowie Turbinen- und Brennkammergehäusen eingesetzt werden.
  • Zur Ausbildung von Ringwirbelstrukturen mit hoher Prallluftkühlwirkung ist es erforderlich, die Größe bzw. den Durchmesser D der Prallluftöffnung 4, die Frequenz f der Kühlluftgeschwindigkeitäpakete oder Kühlluftimpulse bzw. die Wirbelablösefrequenz und die Amplitude der Strösaungsgeschwindigkeitspakete und damit die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft in der Prallluftkühlöffnung 4 so einzustellen und aufeinander abzustimmen, dass möglichst kräftige Ringwirbelstrukturen 6 mit hoher Kühlwirkung ausgebildet werden. Diese drei Parameter sind in der Strouhalsahl Sr, einer dimensionslosen Frequenz, die das Verhältnis aus dem Produkt der Kühlluftimspulsfreguenz und der Größe der Prallluftöffnung und der Strömungsgeschwindigkeit ist, verknüpft, wobei Sr = f × D / V cool .
    Figure imgb0002
  • Im Ergebnis aufwendiger Versuchsreihen wurde ermittelt, dass bei einer Strouhalzahl Sr im Bereich von 0,8 bis 1,2 kräftige Ringwirbelstrukturen der Prallkühlluft mit einer Frequenz erzeugt werden, die gegenüber einem stetigen Prallluftkühlstrom zu einer deutlichen Verbesserung der Kühlwirkung der Prallluft führen. Dabei sollte die Gescbwindigkeitsamplitude der Kühlluftgeschwindigkeitspakete (Kühlluftimpulse) einen bestimmten Wert nicht unterschreiten. Intensive Ringwirbelstrukturen werden bevorzugt unter Resonanzbedingungen zwischen den an den Prallluftöffnungen erzeugten Ringwirbeln und den sich aufgrund des Auftretens der Ringwirbel an der Bauteilwand und der Trennwand aufbauenden Druckschwingungen erzeugt.
    • Bezugszeichealiste
    • 1
    Hohlraum einer Turbinenkomponente
    2
    Trennwand in 1
    3
    Außenwand von 1
    4
    Prallluftöffnungen in 2
    5
    Kühlluftkanal zw. 2 und 3
    6
    Ringwirbelstrukturen
    Vcool(t)
    Kühlluftgeschwindigkeitspaket
    Vcool
    Kühlluftgeschwindigkeit, Amplitude v. Vcool(t)
    Tcool
    Kühllufttemperatur
    V
    Heißgasgeschwindigkeit
    Vcross
    Geschwindigkeit der Querströmung in 5
    D
    Größe der Prallluftöffnung
    F
    Frequenz von Vcool(t) bzw. 6

Claims (6)

  1. verfahren zur Prallluftkühlung für Gasturbinen, bei dem Kühlluft über in einer Trennwand ausgebildete Prallluftöffnungen in separaten Kühlluftstrahlen auf den zu kühlenden Wandbereich prallt und in einer Querströmung wieder abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Querströmung in zeitlichem Abstand aufeinander folgende und mit hoher Intensität und Frequenz die Querströmung durchdringende und auf den zu kühlenden Wandbereich prallende Ringwirbelstrukturen (6) mit hoher Kühlwirkung erzeugt werden, indem die Prallluftöffnungen (4) eingangsseitig mit Kühlluftgeschwindigkeitepaketen (Vcool(t)} von bestimmter Amplitude (Vcool) und Frequenz (f) beaufschlagt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung und Intensität der Ringwirbelstrukturen (6) durch die Amplitude der Kühlluftgeschwindigkeitspakete und die Größe (D) der Prallluftöffnungen (4) bestimmt ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Frequenz (f) und der Amplitude (Vcool) der Kühlluftgeschwindigkeitspakete und der Größe (D) der Prallluftöffnungen (4) durch die Strouhalzahl (Sr = f x D/Vcool) bestimmt ist und die Strouhalzahl (Sr) zur Anregung der Ringwirbelstrukturen im Bereich zwischen 0,2 und 2,0 liegt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anrege-Strouhalzahl zwischen 0,8 und 1,2 liegt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Trennwand und dem zu kühlenden Wandbereich zur Intensivierung der Ringwirbelstrukturen so gewählt ist, dass in dem Raum zwischen Trennwand und zu kühlender Wand Resonanzbedingungen zwischen den Ringwirbeln an den Prallluftöffnungen und den reflektierten Druckwellen herrschen.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Erzeugung der Ringwirbelstrukturen (6) zur Einsparung von Kühlluft in zeitlich regelmäßigen Abständen unterbrochen wird.
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