EP1998115A1 - Cooling channel for cooling a component carrying a hot gas - Google Patents
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- EP1998115A1 EP1998115A1 EP07010641A EP07010641A EP1998115A1 EP 1998115 A1 EP1998115 A1 EP 1998115A1 EP 07010641 A EP07010641 A EP 07010641A EP 07010641 A EP07010641 A EP 07010641A EP 1998115 A1 EP1998115 A1 EP 1998115A1
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- F23M5/00—Casings; Linings; Walls
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- F23M5/085—Cooling thereof; Tube walls using air or other gas as the cooling medium
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/002—Wall structures
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- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
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- F23R3/06—Arrangement of apertures along the flame tube
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- 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 cooling channel according to the preamble of claim 1.
- the components leading to a hot gas of a gas turbine are preferably cooled by the use of impingement cooling or convection cooling in combination with effusion cooling or film cooling.
- the combustion chamber in each case has a correspondingly shaped cooling channel.
- using an open cooling system has disadvantages. For example, the inflow of cooling air previously used for cooling into the combustion chamber reduces the temperature of the hot gas in the combustion chamber.
- the EP 1 507 116 A1 describes, for example, a cooling channel with an impingement cooling as well as coolant flowing into the combustion chamber.
- the heat shield arrangement shown surrounds the combustion chamber and comprises a plurality of heat shield elements attached to a support structure, which are arranged side by side, leaving a gap. Between the heat shield elements and the support structure, an interior space is provided into which the coolant for cooling the heat shield elements can flow.
- the coolant flows through a plurality of, provided in the support structure inlet channels into the interior, wherein the controlled exit of coolant from the interior of a coolant outlet channel is provided, which opens into the gap.
- the latter relates to a heat shield component for a hot gas wall to be cooled with cooling fluid return and an inlet channel and an outlet channel for the cooling fluid.
- the inlet channel is directed towards the hot gas wall and widens toward the hot gas wall.
- the inlet channel, the outlet channel and the closed hot gas wall cause a complete cooling fluid return, so that no losses of cooling fluid are provided by this cooling fluid guide.
- the EP 1 628 076 A1 describes a cooling channel with concave depressions for improved cooling, wherein the concave depressions are arranged only outside the edge zone on the hot gas wall, while the edge zones remain free or are provided with turbulators.
- so-called dimples are arranged for particularly effective cooling. This ensures that the cooling fluid is passed in the direction of the edge zones and they are thus increasingly cooled.
- the arrangement of EP 1 628 076 A1 thus improves the cooling of the edge areas by the installation of turbulators. But even here, a high pressure loss occurs when the coolant enters the cooling channel.
- a combination of impingement cooling with other turbulence-generating means such as barriers transverse to the flow direction and / or cavities in the cooling channel also have a high pressure loss.
- the object of the invention is to provide a cooling channel, which is characterized by a particularly low pressure drop and improved cooling of a hot gas-conducting component.
- the invention is based on the recognition that open cooling, such as film or effusion cooling, is to be avoided since mixing hot gas and coolant brings about significant disadvantages. Furthermore, the invention is based on the knowledge that a good cooling can be achieved with a high cooling gas-side heat transfer coefficient ⁇ while the pressure loss ⁇ p is still low. This means that a favorable quotient ⁇ / ⁇ p can be achieved from heat transfer coefficients and pressure loss.
- the cooling channel comprises a wall which partially delimits it, a cavity and a cooling wall which is opposite the wall and to be cooled. Through a number of inlet openings in the wall, the coolant flows into the cavity. The coolant can thus at least partially cause an impact cooling of the cooling wall.
- auxiliary cooling ribs are arranged longitudinally to the flow direction of the coolant in the direction of the outlet opening in the cavity on the cooling wall of the cooling channel.
- the surface to be cooled substantially and consequently the heat transfer coefficient is increased.
- the auxiliary cooling ribs can be easily manufactured. The production can be done for example by cold or hot rolling, laser beam cutting, joining thin films or milling. Installation is easy to accomplish in new as well as already existing cooling duct systems.
- cooling auxiliary ribs differ significantly from previously known cooling fins.
- cooling fins have a fin height which is substantially greater than the thickness of a boundary layer flow which arises when the flow is purely convective.
- Cooling riblets By contrast, their height corresponds at most to the thickness of a boundary layer flow with a purely convective flow.
- the auxiliary cooling ribs have the dimensions in the form of a height h in the direction of the inflow of the coolant, a mean distance s and a comb width t. Furthermore, the inlet openings have a diameter D.
- all dimensions t, s, h are less than the hydraulic diameter Dp.
- a particularly good quotient ⁇ / ⁇ p can be achieved from the heat transfer coefficient and pressure loss for the cooling channel according to the invention.
- the inlet openings may be, for example, round or elliptical, each with a different diameter or a different circumference.
- the inlet openings are distributed in their arrangement in the wall in the flow direction uniformly or with different density.
- the inlet openings can also be distributed differently in their arrangement transversely to the flow direction. This can be achieved for example by an offset of inlet openings.
- a greater density of inlet openings per area may be provided than on the output side.
- the inlet openings which are also referred to as impact cooling, regularly distributed.
- the inlet openings are designed as nozzles, so that a particularly efficient impingement cooling of the cooling wall is made possible.
- the auxiliary cooling ribs are arranged in the cooling channel continuously in the flow direction. As a result, a targeted guidance of the adjusting longitudinal vortex can be achieved and thus improved cooling.
- auxiliary cooling ribs on the cooling fin comb and / or on the cooling wall bottom and / or on their side walls have vortex-forming elements.
- the auxiliary cooling ribs may, for example, have a slightly beveled cooling rib comb for this purpose.
- Other vortex-forming means are also conceivable.
- such a cooling channel is used on a combustion chamber, in a guide ring or in a turbine blade.
- the combustion chamber comprises a closed cooling.
- the at least one outlet opening is adapted to the closed combustion chamber.
- FIG. 1 On the cooling channel 14 facing side 15 of the cooling wall 12 is a number of parallel cooling auxiliary ribs 3 is arranged extending in the flow direction 2, of which only two are shown.
- a coolant 1 is injected through schematically represented inlet openings 4 into a cavity 13, ie into the cooling channel 14.
- the inlet openings 4 are provided in a wall, not shown, which limits the cooling channel 14 on the back.
- the wall, not shown, is opposite the auxiliary cooling ribs 3 at a distance.
- the inlet openings 4 are arranged in the wall in a regular pattern.
- the inlet openings 4 furthermore have a hydraulic diameter D p .
- the auxiliary cooling ribs 3 have a mean distance s, a comb width t and a height h.
- the distance s, the comb width t and the height h are substantially smaller than the hydraulic diameter D p , preferably their values are at 5% - 20% of the hydraulic diameter D p .
- the dimensions of the auxiliary cooling ribs 3 are selected such that preferably one Enlargement of the surface - based on a flat surface - of about 80% results.
- auxiliary cooling ribs 3 By enlarging the surface to be cooled by means of the auxiliary cooling ribs 3, a significantly improved cooling is achieved. Unexpectedly, however, there is no significant increase in pressure drop.
- the incoming impact rays are deflected 90 ° and can flow between the cooling auxiliary ribs 3, the riblets. They generate strong spiral longitudinal vortices 9.
- the longitudinal vortices 9 have a diameter which substantially corresponds to the height of the auxiliary cooling ribs.
- the injection of the coolant 1 takes place in such a way that pairs of opposing longitudinal vortices 9 are set between two directly adjacent auxiliary cooling ribs 3.
- the cooling channel 14 has at its ends an outlet (not shown) for the coolant 1. This outlet is designed such that a closed cooling is achieved.
- the coolant 1 forms, in addition to the longitudinal vortices 9, a comparatively thin boundary layer flow 7 between adjacent auxiliary cooling ribs 3 - on the cooling wall bottom 5 -.
- the boundary layer flow 7 also applies partially or completely to the side walls of the auxiliary cooling ribs 3.
- the boundary layer flow 7 has a thickness of 8.
- the longitudinal vortexes 9 prevent a greater thickness 8 of the boundary layer flow 7, whereby the heat transfer coefficient can be further increased.
- FIG. 2 shows another example of a cooling channel 14, in which the boundary layer flow 7 has a different thickness 8.
- the boundary layer is thicker than on the cooling wall bottom 5. This is achieved by specifically arranged and dimensioned inlet openings 4, wherein the coolant 1 impinging on the auxiliary cooling ribs 3 or on their comb 6 at a lower speed (shorter arrows) impinges than on the cooling wall bottom 5 (longer arrows).
- FIG. 3, 4 and 5 show the execution of a cooling channel 14 according to the invention with auxiliary cooling ribs 3 in a metallic heat shield 18 for the combustion chamber of a gas turbine in a plan, front and side view.
- the heat shield 18 is attached by a not further shown fastening means to a supporting structure of the combustion chamber.
- the coolant 1 is injected into the cooling channel 14 through inlet openings 4 arranged in the wall 10 and effects impingement cooling. Subsequently, it flows in the flow direction 2 in the direction of exit (not shown). By the further flow a convection cooling is effected.
- FIGS. 6 and 7 show a transition part 19 (transition piece) of a pipe combustion chamber. This is arranged between the burners of the combustion chamber and the turbine unit of a stationary gas turbine.
- the transition part 19 is divided into two areas: in a region R and a region F.
- cooling auxiliary ribs 3 are longitudinally arranged according to the invention according to the flow direction.
- the coolant 1 flows through appropriately sized inlet openings 4, whereby an impingement cooling occurs.
- the coolant 1 subsequently flows through the region F of the transition part 19. This causes convection cooling in the region F.
- dimples 11 are additionally arranged here.
- FIGS. 8 to 10 show a liner 20 for a combustion chamber in a top, front and side view. Again, a combination of impingement cooling and subsequent convection cooling is shown.
- the cooling auxiliary ribs 3 can be arranged partially or else over the entire surface to be cooled longitudinally to the flow direction 2.
- FIG. 11 shows the use of the cooling channel 14 according to the invention FIG. 1 in a guide ring 21 of a gas turbine, which is provided adjacent to the tips of blades of the turbine.
- FIG. 12 shows a further advantageous use of the invention within an airfoil of a turbine blade, wherein in detail only the inventively designed leading edge of the airfoil is shown.
- the present invention thus discloses a cooling channel which is distinguished by a particularly good quotient ⁇ / ⁇ p from the heat transfer coefficient ⁇ to the pressure loss ⁇ p.
- a film cooling can be avoided hereby and thus also a mixing of hot and cold gases.
- the cooling channel disclosed here is characterized by a very high heat transfer coefficient for a wide range of coolant Reynolds numbers and low pressure losses.
- the cooling duct presented here can advantageously also be installed very easily in an existing cooling system. Further advantageous is the simple production of the cooling wall by, for example, cold / hot rolling. It can be used, for example, in heat shield elements or liners, in turbine blades, in transition parts between combustion chamber and turbine (Transistion piece) or other hot gas components.
Landscapes
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Kühlkanal gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a cooling channel according to the preamble of
Die ein Heißgas einer Gasturbine führenden Komponenten, beispielsweise die Brennkammer, werden bevorzugt durch den Einsatz einer Prallkühlung oder Konvektionskühlung in Kombination mit einer Effusionskühlung oder Filmkühlung gekühlt. Dazu weist die Brennkammer jeweils einen entsprechend geformten Kühlkanal auf. Durch die Verwendung eines offenen Kühlsystems entstehen jedoch Nachteile. Beispielsweise wird durch das Einströmen von zuvor zur Kühlung verwendeter Kühlluft in die Brennkammer die Temperatur des Heißgases in der Brennkammer verringert.The components leading to a hot gas of a gas turbine, for example the combustion chamber, are preferably cooled by the use of impingement cooling or convection cooling in combination with effusion cooling or film cooling. For this purpose, the combustion chamber in each case has a correspondingly shaped cooling channel. However, using an open cooling system has disadvantages. For example, the inflow of cooling air previously used for cooling into the combustion chamber reduces the temperature of the hot gas in the combustion chamber.
Die
Um jegliches Ausblasen von Kühlmittel in die Brennkammer zu verhindern, sind aufwendigere Systeme mit Kühlfluidrückführung bekannt, bei denen das Kühlfluid in einem geschlossenen Kreislauf geführt werden. Solche geschlossenen Kühlungskonzepte mit Kühlfluidrückführung sind beispielsweise in der
Letztere betrifft eine Hitzeschildkomponente für eine zu kühlende Heißgaswand mit Kühlfluidrückführung sowie einen Einlasskanal und einen Auslasskanal für das Kühlfluid. Der Einlasskanal ist zur Heißgaswand hin gerichtet und erweitert sich in Richtung zur Heißgaswand. Der Einlasskanal, der Auslasskanal und die geschlossene Heißgaswand bewirken eine vollständige Kühlfluidrückführung, so dass durch diese Kühlfluidführung keine Verluste an Kühlfluid vorgesehen sind.The latter relates to a heat shield component for a hot gas wall to be cooled with cooling fluid return and an inlet channel and an outlet channel for the cooling fluid. The inlet channel is directed towards the hot gas wall and widens toward the hot gas wall. The inlet channel, the outlet channel and the closed hot gas wall cause a complete cooling fluid return, so that no losses of cooling fluid are provided by this cooling fluid guide.
Die
Auch eine Kombination von Prallkühlung mit anderweitigen turbulenzerzeugenden Mitteln wie Barrieren quer zur Strömungsrichtung und/oder Einhöhlungen im Kühlkanal weisen einen hohen Druckverlust auf.A combination of impingement cooling with other turbulence-generating means such as barriers transverse to the flow direction and / or cavities in the cooling channel also have a high pressure loss.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kühlkanal anzugeben, der sich durch einen besonders niedrigen Druckverlust und eine verbesserte Kühlung einer heißgasführenden Komponente auszeichnet.The object of the invention is to provide a cooling channel, which is characterized by a particularly low pressure drop and improved cooling of a hot gas-conducting component.
Die Aufgabe wird durch einen Kühlkanal mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The object is achieved by a cooling channel with the features of
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass eine offene Kühlung wie Film- oder Effusionskühlung zu vermeiden ist, da ein Mischen von Heißgas und Kühlmittel wesentliche Nachteile mit sich bringt. Weiterhin geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass eine gute Kühlung mit einem hohen kühlgasseitigen Wärmeübergangskoeffizienten α bei trotzdem niedrigen Druckverlust Δp erreicht werden kann. Das heißt, dass ein günstiger Quotient α/Δp aus Wärmeübergangskoeffizienten und Druckverlust erzielt werden kann. Erfindungsgemäß umfasst der Kühlkanal eine diesen teilweise begrenzende Wand, einen Hohlraum und eine der Wand gegenüberliegende, zu kühlende Kühlwand. Durch eine Anzahl von Einlassöffnungen in der Wand strömt das Kühlmittel in den Hohlraum ein. Das Kühlmittel kann somit zumindest teilweise eine Prallkühlung der Kühlwand bewirken. Das Kühlmittel strömt anschließend durch zumindest eine Auslassöffnung aus dem Hohlraum wieder aus. Um einen günstigen Quotienten α/Δp zu erzielen, wird im Hohlraum an der Kühlwand des Kühlkanals erfindungsgemäß eine Anzahl von Kühlhilfsrippen längslaufend zur Strömungsrichtung des Kühlmittels in Richtung Auslassöffnung angeordnet. Dadurch wird zum einen die zu kühlende Oberfläche wesentlich und demzufolge der Wärmeübergangskoeffizient erhöht. Zum anderen können dadurch intensive, spiralige Längswirbel mit hohem Queraustausch erzeugt werden, deren Durchmesser ungefähr der Höhe der Kühlhilfsrippen entspricht. Durch die Längsanordnung der Kühlhilfsrippen zur Strömungsrichtung wird ein geringer Druckverlust erreicht. Zudem können die Kühlhilfsrippen einfach hergestellt werden. Die Herstellung kann beispielsweise durch Kalt- oder Warmwalzen, Laserstrahlschneiden, Fügen von dünnen Folien oder Fräsen erfolgen. Ein Einbau ist in neuen, aber auch in schon in bestehenden Kühlkanalsystemen einfach zu bewerkstelligen.The invention is based on the recognition that open cooling, such as film or effusion cooling, is to be avoided since mixing hot gas and coolant brings about significant disadvantages. Furthermore, the invention is based on the knowledge that a good cooling can be achieved with a high cooling gas-side heat transfer coefficient α while the pressure loss Δp is still low. This means that a favorable quotient α / Δp can be achieved from heat transfer coefficients and pressure loss. According to the invention, the cooling channel comprises a wall which partially delimits it, a cavity and a cooling wall which is opposite the wall and to be cooled. Through a number of inlet openings in the wall, the coolant flows into the cavity. The coolant can thus at least partially cause an impact cooling of the cooling wall. The coolant then flows out through at least one outlet opening from the cavity again. In order to achieve a favorable quotient .alpha. / .DELTA.p, according to the invention, a number of auxiliary cooling ribs are arranged longitudinally to the flow direction of the coolant in the direction of the outlet opening in the cavity on the cooling wall of the cooling channel. As a result, on the one hand the surface to be cooled substantially and consequently the heat transfer coefficient is increased. On the other hand can be generated by intensive, spiral longitudinal vortex with high cross-exchange, whose diameter corresponds approximately to the height of the auxiliary cooling ribs. By the longitudinal arrangement of the auxiliary cooling ribs to the flow direction, a low pressure loss is achieved. In addition, the cooling auxiliary ribs can be easily manufactured. The production can be done for example by cold or hot rolling, laser beam cutting, joining thin films or milling. Installation is easy to accomplish in new as well as already existing cooling duct systems.
Die Kühlhilfsrippen, im Englischen riblets genannt, unterscheiden sich wesentlich von bisher bekannten Kühlrippen. Kühlrippen weisen nämlich eine Rippenhöhe auf, welche wesentlich größer ist als die Dicke einer sich einstellenden Grenzschichtströmung bei rein konvektiver Strömung. Kühlhilfsrippen dagegen sind dadurch gekennzeichnet, dass ihre Höhe maximal der Dicke einer Grenzschichtströmung bei rein konvektiver Strömung entspricht.The cooling auxiliary ribs, called in English riblets, differ significantly from previously known cooling fins. In fact, cooling fins have a fin height which is substantially greater than the thickness of a boundary layer flow which arises when the flow is purely convective. Cooling riblets By contrast, their height corresponds at most to the thickness of a boundary layer flow with a purely convective flow.
Die Kühlhilfsrippen weisen die Dimensionen in Form einer Höhe h in Richtung der Einströmung des Kühlmittels, einen mittleren Abstand s und eine Kammbreite t auf. Weiterhin weisen die Einlassöffnungen einen Durchmesser D auf. Ein vom Durchmesser D indirekt abhängige Größe, nämlich der hydraulische Durchmesser DP, berechnet sich gemäß der Formel:
Vorteilhafterweise sind alle Dimensionen t, s, h geringer als der hydraulische Durchmesser Dp. Dadurch kann ein besonders guter Quotient α/Δp aus Wärmeübergangskoeffizient und Druckverlust für den erfindungsgemäßen Kühlkanal erreicht werden.Advantageously, all dimensions t, s, h are less than the hydraulic diameter Dp. As a result, a particularly good quotient α / Δp can be achieved from the heat transfer coefficient and pressure loss for the cooling channel according to the invention.
Die Einlassöffnungen können beispielsweise rund oder ellipsenförmig sein, mit jeweils unterschiedlichem Durchmesser bzw. unterschiedlichem Umfang. Dadurch kann an besonders kritischen Stellen, das heißt, beispielsweise an den Stellen, an denen ein besonders hoher Wärmeübergangskoeffizient benötigt wird, mehr Kühlmittel durch die Einlassöffnungen einströmen.The inlet openings may be, for example, round or elliptical, each with a different diameter or a different circumference. As a result, at particularly critical points, that is to say, for example at the points where a particularly high heat transfer coefficient is required, more coolant can flow through the inlet openings.
In bevorzugter Ausgestaltung sind die Einlassöffnungen in ihrer Anordnung in der Wand in Strömungsrichtung gleichmäßig oder unterschiedlich dicht verteilt. Alternativ oder zusätzlich können die Einlassöffnungen zudem in ihrer Anordnung quer zur Strömungsrichtung unterschiedlich verteilt sein. Dies kann beispielsweise durch einen Versatz von Einlassöffnungen erzielt werden. So kann beispielsweise in einer Brennkammer, an der ein Kühlkanal zur Kühlung angebracht ist, eingangsseitig eine größere Dichte von Einlassöffnungen je Fläche vorgesehen sein, als ausgangsseitig. Vorzugsweise sind jedoch die Einlassöffnungen, welche auch als Prallkühlöffnungen bezeichnet werden, regelmäßig verteilt angeordnet.In a preferred embodiment, the inlet openings are distributed in their arrangement in the wall in the flow direction uniformly or with different density. Alternatively or additionally, the inlet openings can also be distributed differently in their arrangement transversely to the flow direction. This can be achieved for example by an offset of inlet openings. Thus, for example, in a combustion chamber to which a cooling channel is attached for cooling, on the input side, a greater density of inlet openings per area may be provided than on the output side. Preferably However, the inlet openings, which are also referred to as impact cooling, regularly distributed.
Bevorzugt sind die Einlassöffnungen als Düsen ausgebildet, so dass eine besonders effiziente Prallkühlung der Kühlwand ermöglicht wird.Preferably, the inlet openings are designed as nozzles, so that a particularly efficient impingement cooling of the cooling wall is made possible.
In bevorzugter Ausgestaltung sind die Kühlhilfsrippen im Kühlkanal durchgängig in Strömungsrichtung angeordnet. Dadurch kann auch eine gezielte Führung der sich einstellenden Längswirbel erreicht werden und somit eine verbesserte Kühlung.In a preferred embodiment, the auxiliary cooling ribs are arranged in the cooling channel continuously in the flow direction. As a result, a targeted guidance of the adjusting longitudinal vortex can be achieved and thus improved cooling.
Eine besonders gute Kühlung wird erzielt, wenn die Kühlhilfsrippen am Kühlrippenkamm und/oder am Kühlwandboden und/oder an ihren Seitenwänden wirbelbildende Elemente aufweisen. Die Kühlhilfsrippen können hierfür beispielsweise einen leicht abgeschrägten Kühlrippenkamm aufweisen. Andere wirbelausbildende Mittel sind auch denkbar.A particularly good cooling is achieved when the auxiliary cooling ribs on the cooling fin comb and / or on the cooling wall bottom and / or on their side walls have vortex-forming elements. The auxiliary cooling ribs may, for example, have a slightly beveled cooling rib comb for this purpose. Other vortex-forming means are also conceivable.
Bevorzugt wird ein solcher Kühlkanal an einer Brennkammer, in einem Führungsring oder in einer Turbinenschaufel verwendet. In bevorzugter Ausgestaltung umfasst die Brennkammer eine geschlossene Kühlung. Die zumindest eine Austrittsöffnung wird der geschlossenen Brennkammer angepasst.Preferably, such a cooling channel is used on a combustion chamber, in a guide ring or in a turbine blade. In a preferred embodiment, the combustion chamber comprises a closed cooling. The at least one outlet opening is adapted to the closed combustion chamber.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung genauer beschrieben. Darin zeigen:
- FIG 1
- einen erfindungsgemäßen Kühlkanal mit Kühlhilfsrippen,
- FIG 2
- einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Kühlkanals,
- FIG 3 - 5
- eine erste Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Kühlkanals in jeweils einer Draufsicht, Seitenansicht und Vorderansicht,
- FIG 6, 7
- eine Brennkammer mit einem erfindungsgemäßen Kühlkanal,
- FIG 8 - 10
- einen Liner mit einem Kühlkanal für eine Brennkammer in einer Drauf-, Seitenansicht und Vorderansicht,
- FIG 11
- einen Führungsring für eine Turbine im Querschnitt und
- FIG 12
- den Querschnitt durch die Anströmkante einer Turbinenschaufel mit einem erfindungsgemäßen Kühlkanal.
- FIG. 1
- a cooling channel according to the invention with auxiliary cooling ribs,
- FIG. 2
- a cross section of the cooling channel according to the invention,
- 3 - 5
- A first embodiment of a cooling channel according to the invention in a respective plan view, side view and front view,
- FIG. 6, 7
- a combustion chamber with a cooling channel according to the invention,
- FIGS. 8-10
- a liner with a cooling channel for a combustion chamber in a plan, side view and front view,
- FIG. 11
- a guide ring for a turbine in cross section and
- FIG. 12
- the cross section through the leading edge of a turbine blade with a cooling channel according to the invention.
Gleiche Bezugsziffern beziehen sich nachfolgend auf gleichartige Bauteile.Like reference numerals refer to similar components below.
Das Kühlmittel 1, vorzugsweise Verdichterluft oder Kühldampf, prallt auf die Kühlwand 12 auf und kühlt diese dabei. Die Einlassöffnungen 4 sind in der Wand in einem regelmäßigen Muster angeordnet. Die Einlassöffnungen 4 weisen weiterhin einen hydraulischen Durchmesser Dp auf. Die Kühlhilfsrippen 3 weisen einen mittleren Abstand s, eine Kammbreite t und eine Höhe h auf. Der Abstand s, die Kammbreite t und die Höhe h sind dabei wesentlich kleiner als der hydraulische Durchmesser Dp, bevorzugt liegen ihre Werte bei 5% - 20% des hydraulischen Durchmessers Dp. Gleichzeitig sind die Dimensionen der Kühlhilfsrippen 3 so gewählt, dass sich vorzugsweise eine Vergrößerung der Oberfläche - bezogen auf eine plane Oberfläche - von ca. 80% ergibt. Andere Verhältnisse sind auch denkbar. Durch die Vergrößerung der zu kühlenden Fläche mittels der Kühlhilfsrippen 3 wird eine deutlich verbesserte Kühlung erzielt. In unerwarteter Weise stellt sich jedoch kein wesentlich höherer Druckverlust ein. Die eintretenden Prallstrahlen werden 90° umgelenkt und können zwischen den Kühlhilfsrippen 3, den Riblets, abströmen. Sie erzeugen dabei kräftige spiralige Längswirbel 9. Die Längswirbel 9 weisen einen Durchmesser auf, der im Wesentlichen der Höhe der Kühlhilfsrippen entspricht. Die Einblasung des Kühlmittels 1 erfolgt dabei derart, dass sich zwischen zwei unmittelbar benachbarten Kühlhilfsrippen 3 jeweils Paare von gegenläufigen Längswirbeln 9 einstellen. Dadurch erfolgt für das Kühlmittel eine strömungstechnische Vergleichmäßigung des Abstands zwischen Kühlwand 12 und der nicht dargestellten, mit den Einlassöffnungen 4 versehenen Wand, wodurch die erwartete Verschlechterung des Druckverlustes vermieden werden kann. Außerdem kann durch die nutzbare vergrößerte Oberfläche eine erhöhte Wärmeübergangszahl erzielt werden.The
Der Kühlkanal 14 weist an seinen Enden einen Austritt (nicht gezeigt) für das Kühlmittel 1 auf. Dieser Austritt ist derart ausgestaltet, dass eine geschlossene Kühlung erzielt wird. Das Kühlmittel 1 bildet neben den Längswirbeln 9 eine vergleichsweise dünne Grenzschichtströmung 7 zwischen benachbarten Kühlhilfsrippen 3 - auf dem Kühlwandboden 5 - aus. Die Grenzschichtströmung 7 legt sich auch teilweise oder ganz an die Seitenwände der Kühlhilfsrippen 3 an. Die Grenzschichtströmung 7 hat eine Dicke 8. Die Längswirbel 9 verhindern eine größere Dicke 8 der Grenzschichtströmung 7, wodurch der Wärmeübergangskoeffizient weiter gesteigert werden kann. Durch die Kühlhilfsrippen 3 und deren längslaufenden Anordnung kann der Wärmeübergangskoeffizient für einen weiten Bereich von Kühlmittel-Reynoldszahlen erhöht werden. Sehr geringe Wandreibungsverluste treten selbst für Kühlmittel-Reynoldszahlen in einer Größenordnung von Rep = 10 bis Rep = 500.000 auf. Der Druckverlust durch Wandreibung sinkt.The cooling
Dadurch ergibt sich eine wesentlich bessere Kühlung der Komponente bzw. seiner Kühlwand 12 und eine effizientere Durchleitung des Kühlmittels 1.This results in a much better cooling of the component or its
Die
Mit der vorliegenden Erfindung wird folglich ein Kühlkanal offenbart, der sich durch einen besonders guten Quotienten α/Δp aus Wärmeübergangskoeffizient α zu Druckverlust Δp auszeichnet. Eine Filmkühlung kann hiermit vermieden werden und damit auch ein Vermischen von heißen und kalten Gasen. Ferner zeichnet sich der hier offenbarte Kühlkanal durch einen sehr hohen Wärmeübergangskoeffizient für einen weiten Bereich von Kühlmittel-Reynoldszahlen und durch geringe Druckverluste aus. Der hier vorgestellte Kühlkanal kann vorteilhafterweise auch sehr einfach in ein bestehendes Kühlsystem eingebaut werden. Weiterhin vorteilhaft ist die einfache Herstellung der Kühlwand durch beispielsweise Kalt-/Warmwalzen. Einsetzbar ist der Kühlkanal beispielsweise in Hitzeschildelementen oder Linern, in Turbinenschaufeln, in Übergangsteilen zwischen Brennkammer und Turbine (Transistion piece) oder anderen Heißgaskomponenten.The present invention thus discloses a cooling channel which is distinguished by a particularly good quotient α / Δp from the heat transfer coefficient α to the pressure loss Δp. A film cooling can be avoided hereby and thus also a mixing of hot and cold gases. Furthermore, the cooling channel disclosed here is characterized by a very high heat transfer coefficient for a wide range of coolant Reynolds numbers and low pressure losses. The cooling duct presented here can advantageously also be installed very easily in an existing cooling system. Further advantageous is the simple production of the cooling wall by, for example, cold / hot rolling. It can be used, for example, in heat shield elements or liners, in turbine blades, in transition parts between combustion chamber and turbine (Transistion piece) or other hot gas components.
Claims (14)
umfassend:
in dem Hohlraum (13) eine Anzahl von Kühlhilfsrippen (3) längslaufend zur Strömungsrichtung (2) des Kühlmittels (1) entlang der Kühlwand (12) in Richtung der Auslassöffnung angeordnet ist.Cooling passage (14) for guiding a coolant (1) in or on a hot gas exposable component of a gas turbine,
full:
in the cavity (13) a number of auxiliary cooling ribs (3) longitudinal to the flow direction (2) of the coolant (1) along the cooling wall (12) is arranged in the direction of the outlet opening.
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlhilfsrippen (3) zumindest die Dimensionen in Form einer Höhe (h) in Richtung der Einströmung des Kühlmittels (1), einen mittleren Abstand (s) und eine Kammbreite (t) aufweisen.Cooling channel (14) according to claim 1,
characterized in that
the auxiliary cooling ribs (3) have at least the dimensions in the form of a height (h) in the direction of the inflow of the coolant (1), a mean distance (s) and a ridge width (t).
dadurch gekennzeichnet, dass
die Einlassöffnungen (4) eine Querschnittsfläche A und einen Umfang U aufweisen, mittels denen ein hydraulischer Durchmesser (Dp) gemäß
characterized in that
the inlet openings (4) have a cross-sectional area A and a circumference U, by means of which a hydraulic diameter (Dp) according to
dadurch gekennzeichnet, dass
eine der Kühlrippendimensionen (t), (s), (h), mehrere oder alle Kühlrippendimensionen (t), (s), (h) kleiner als der hydraulische Durchmesser (Dp) der Einlassöffnung (4) ist bzw. sind.Cooling channel (14) according to claim 3,
characterized in that
one of the cooling fin dimensions (t), (s), (h), several or all fin rib dimensions (t), (s), (h) is smaller than the hydraulic diameter (Dp) of the inlet port (4).
dadurch gekennzeichnet, dass
die eine, mehrere oder alle Kühlrippendimensionen (t), (s), (h) einen Wert aufweisen, der im Intervall von 5% bis 20 % des Wertes des hydraulischen Durchmessers (Dp) der Einlassöffnung (4) liegt.Cooling channel (14) according to claim 4,
characterized in that
the one, several or all fin fin dimensions (t), (s), (h) have a value ranging from 5% to 20% of the value of the hydraulic diameter (D p ) of the inlet port (4).
dadurch gekennzeichnet, dass
die Einlassöffnungen (4) in ihrer geometrische Gestaltung unterschiedlich sind.Cooling channel (14) according to one of claims 1 to 5,
characterized in that
the inlet openings (4) are different in their geometric design.
dadurch gekennzeichnet, dass
die Einlassöffnungen (4) in ihrer Anordnung in Strömungsrichtung (2) gleichmäßig oder unterschiedlich verteilt sind.Cooling channel (14) according to one of claims 1 to 6,
characterized in that
the inlet openings (4) are distributed uniformly or differently in their arrangement in the flow direction (2).
dadurch gekennzeichnet, dass
die Einlassöffnungen (4) in ihrer Anordnung quer zur Strömungsrichtung (2) gleichmäßig oder unterschiedlich verteilt sind.Cooling channel (14) according to one of claims 1 to 7,
characterized in that
the inlet openings (4) are distributed uniformly or differently in their arrangement transversely to the flow direction (2).
dadurch gekennzeichnet, dass
die Einlassöffnungen (4) als Düsen ausgebildet sind.Cooling channel (14) according to one of claims 1 to 8,
characterized in that
the inlet openings (4) are formed as nozzles.
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlhilfsrippen (3) im Kühlkanal (1) durchgängig in Strömungsrichtung (2) angeordnet sind.Cooling channel (14) according to one of claims 1 to 9,
characterized in that
the auxiliary cooling ribs (3) in the cooling channel (1) are arranged continuously in the flow direction (2).
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlhilfsrippen (3) am Kamm (6) und/oder am Kühlwandboden (5) und/oder an den Seitenwänden wirbelbildende Elemente aufweisen.Cooling channel (14) according to one of claims 1 to 10,
characterized in that
the auxiliary cooling ribs (3) on the comb (6) and / or on the cooling wall bottom (5) and / or on the side walls have vortex-forming elements.
vorhergehenden Ansprüche.Combustion chamber with a cooling channel according to one of
previous claims.
dadurch gekennzeichnet, dass
die zumindest eine Auslassöffnung für eine geschlossene Kühlung der Brennkammer vorgesehen ist.Combustion chamber according to claim 12,
characterized in that
the at least one outlet opening is provided for a closed cooling of the combustion chamber.
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EP07010641A EP1998115A1 (en) | 2007-05-29 | 2007-05-29 | Cooling channel for cooling a component carrying a hot gas |
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EP07010641A EP1998115A1 (en) | 2007-05-29 | 2007-05-29 | Cooling channel for cooling a component carrying a hot gas |
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EP1998115A1 true EP1998115A1 (en) | 2008-12-03 |
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