EP3408501B1 - Filmkühlloch in gasturbinen bauteilen - Google Patents

Filmkühlloch in gasturbinen bauteilen Download PDF

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EP3408501B1
EP3408501B1 EP17715064.6A EP17715064A EP3408501B1 EP 3408501 B1 EP3408501 B1 EP 3408501B1 EP 17715064 A EP17715064 A EP 17715064A EP 3408501 B1 EP3408501 B1 EP 3408501B1
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EP
European Patent Office
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section
diffusor
cooling hole
inflow
film
Prior art date
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Application number
EP17715064.6A
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English (en)
French (fr)
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EP3408501A1 (de
Inventor
Thomas Beck
Stefan Dahlke
Jens Dietrich
Sebastian HOHENSTEIN
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Publication date
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Publication of EP3408501A1 publication Critical patent/EP3408501A1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/186—Film cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/30—Arrangement of components
    • F05D2250/32—Arrangement of components according to their shape
    • F05D2250/324—Arrangement of components according to their shape divergent
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/50—Inlet or outlet
    • F05D2250/52—Outlet
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/202—Heat transfer, e.g. cooling by film cooling
    • 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
    • F23R2900/03042—Film cooled combustion chamber walls or domes

Definitions

  • the invention relates to film cooling holes of gas turbine components to be cooled.
  • Gas turbine components that have film cooling holes can, for example, be turbine blades, ring segments or also combustion chamber components.
  • a cooling air film can be generated on surfaces of the components to be cooled over which hot gas can flow, which is intended to protect them from direct contact and thus from the thermal influences of the hot gas flowing along them.
  • the EP 0 227 578 A2 a conventional film cooling air hole with a diffuser-like area connected to a round inlet.
  • the diffuser-like area enables the cooling air flowing out to be fanned out in the lateral direction.
  • the object of this invention is to provide a film cooling hole with which particularly efficient film cooling can be achieved.
  • FIGS Figures 4 to 7 show a previously known film cooling hole 2.
  • Figures 1 to 3 show a previously known film cooling hole 2.
  • Each of the film cooling holes 2, 20 shown is formed as a through hole in a wall 14 that can be acted upon by hot gas, so that it extends from a first surface 16 of the wall 14 to a second surface 18 opposite it the wall 14 extends.
  • a hotter medium M H flows over the first surface 16, whereas the second surface 18 is exposed to a cooler medium M K during this time.
  • the hotter medium is a working medium and the cooler medium is cooling air.
  • the wall 14 can, for example, be a component part of a turbine blade of a turbomachine, a ring segment, a combustion chamber wall or the like and in this case have one or more rows with such or similar film cooling holes 2, 20.
  • the respective film cooling holes 2, 20 are arranged inclined with respect to the surfaces 16, 18.
  • Each film cooling hole 2, 20 comprises an inflow opening 22 which is arranged in the second surface 18.
  • the cooler medium can flow into the relevant film cooling hole through this inflow opening 22.
  • the medium that has flowed in leaves the relevant film cooling hole 2, 20 through an outflow opening 24 arranged in the first surface 16.
  • a first longitudinal section of the film cooling hole 2, 20, hereinafter referred to as inflow section 26, extends from inflow opening 22 to a transition point 25 and has a constant throughflow diameter d.
  • the flow rate of the emerging medium M K can be adjusted by means of this diameter d.
  • a constantly changing diffuser section 28 which extends as far as the outflow opening 24, follows immediately downstream of the transition point 25.
  • Each film cooling hole has a virtual longitudinal axis LL which extends through the center points of the inflow section 26 and extends beyond that.
  • the relevant film cooling holes 2, 20 are inclined with respect to the first surface 16 in such a way that the virtual central longitudinal axis LL - in a cross-sectional view through the relevant wall 14 - includes an acute angle of inclination ⁇ N with an upstream region 16a of the second surface 16.
  • the inflow section 26 has the length L cyl and the diffuser section 28 the length L diff , which can be combined to form a hole length L.
  • the diffuser section 28 of the film cooling hole 2, 20 comprises four individually identifiable side walls, which are hereinafter referred to as peripheral sections and which merge into one another along the circumference.
  • a first circumferential section UA H is at a smaller distance from the first surface 16 and thus faces the hotter medium M H.
  • This circumferential section UA H ends on the one hand at a diffuser edge 34 on the inflow side with respect to the hotter medium M H and on the other hand merges laterally on both sides into a lateral circumferential section UA S1 , UA S2 .
  • the two lateral circumferential sections UA S1 , UA S2 each then merge into a common circumferential section UA K , which is at a smaller distance from the second surface 18 and thus faces the cooler medium M K.
  • the further circumferential section UA K thus ends at a diffuser edge 30 which is downstream in relation to the hotter medium M H and which is preferably essentially straight.
  • a distance w bc between the inflow-side diffuser edge 34 and the outflow-side diffuser edge 30 can be determined.
  • the walls of the lateral circumferential sections UA S1 , UA S2 are designed to be largely straight.
  • the increasing enlargement of the flow cross section in the diffuser section 28 of the film cooling hole 20 takes place in one dimension (lateral directions LR) alone.
  • the increase occurs of the through-flow cross-section mainly in that the lateral peripheral portions UA S1, UA S2 diverge the film cooling hole 20, whereas in the diffuser section 28, the distance between the hotter medium M H facing peripheral portion UA H and the cooler medium M K facing peripheral portion UA K at the outflow opening 24 is at most only insignificantly larger than the diameter d of the inflow section 26.
  • the detectable length L diff of the diffuser section 28 between the transition point 25 and the outflow opening 24 is greater than 7 times the diameter d of the inflow section 26. This ensures that the diffuser section is comparatively long and can therefore widen sufficiently. A comparatively broad film of cooling air can then form during operation.
  • the diffuser-like widening of the film cooling hole 20 in the diffuser section 28 immediately downstream of the transition point 25 - in a cross-sectional view through the relevant wall 14 - has a diffuser height h that is smaller than the diameter d of the inflow section 26. It is preferably smaller than 50% of the Diameter d.
  • the diffuser inlet begins with a comparatively gentle diffuser widening, which reduces the tendency of the cooling air flow to detach.
  • the diffuser-like widening of the film cooling hole 20 does not begin at that section of the circumference of the film cooling hole 20 which is closest to the second surface 18, but rather at the two lateral sections of the circumference. In this way, the flow inside the film cooling hole 20 can be fanned out with less loss, since a pressure distribution is established which is less asymmetrical, but rather more evened out.
  • a width B of the outflow opening 24 that can be detected perpendicular to the flow direction of the hotter medium M H is greater than in the case of conventional film cooling holes 2 with comparable diffuser opening ratios.
  • This has a positive effect on the counter-rotating pairs of vertebrae 23, which are usually located on the outer lateral edges of the Outflow opening 24, ie the imaginary extensions of the lateral circumferential sections UA S1 and UA S2 occur.
  • this has a first-order influence on the mixing process of cooler medium M K and hotter medium M H.
  • the distance between the two legs of the counter-rotating pairs of vertebrae 23 can be increased by the proposed design.
  • the cooler medium M K flowing out in the area of the virtual central longitudinal axis LL is less influenced by the counter-rotating vortex pairs 23, which reduces the intermixing.
  • the strength of the counter-rotating vortex pairs 23 can also be reduced as a result. As a result, this leads to an increased coverage of the first surface 16 with the desired cooling air film.
  • the greater spread ie the enlarged opening angle ⁇ 1 of the diffuser section 28 compared to the prior art in the direction perpendicular to the flow direction of the hotter medium M H (lateral direction LR)
  • a local overcooling of the first surface 16 in the central area of the virtual longitudinal axis LL immediately downstream of the diffuser edge 30 on the downstream side can be reduced.
  • the cooling can thus be made more uniform.
  • the opening angle ⁇ 1 is not greater than 12 °. It is preferably 11.5 °.
  • the diffuser edge 34 on the inflow side is preferably designed to be symmetrically curved, its central region being arranged slightly further upstream than its lateral ends. As a result, the film cooling hole 20 can be produced more easily since the inflow section is drilled and first then the contour of the diffuser section can be produced.
  • the invention relates to a film cooling hole 20 of gas turbine components to be cooled, with an inflow section 26 with a constant flow cross section, to which a diffuser section 28 with a changing flow cross section is connected.
  • the diffuser region 26 be expanded only in the lateral direction LR.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft Filmkühllöcher von zu kühlenden Gasturbinen-Bauteilen. Gasturbinen-Bauteile, die Filmkühllöcher aufweisen, können beispielsweise Turbinenschaufeln, Ringsegmente oder auch Brennkammerbauteile sein.
  • Mit Hilfe der Filmkühllöcher kann ein kühlender Luftfilm auf von Heißgas überströmbaren Flächen der zu kühlenden Bauteile erzeugt werden, welcher diese vor dem direkten Kontakt und damit vor den thermischen Einflüssen des daran entlang strömenden Heißgases schützen soll.
  • So offenbart beispielsweise die EP 0 227 578 A2 ein konventionelles Filmkühlluftloch, bei der sich an einen runde Einlass ein diffusorartiger Bereich anschließt. Durch den diffusorartigen Bereich wird eine Auffächerung der ausströmenden Kühlluft in lateraler Richtung ermöglicht. Jedoch besteht im Zuge steigender Verbrennungstemperaturen und steigenden Anforderungen an den Wirkungsgrad von Gasturbinen weiterhin ein besonderes Interesse an der Bereitstellung eines Filmkühllochs mit gesteigerter Kühlkapazität bei geringem Kühllufteinsatz.
  • Aufgabe dieser Erfindung ist die Bereitstellung eines Filmkühllochs, mit dem eine besonders effiziente Filmkühlung erreicht werden kann.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Filmkühlloch gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben, wobei die Merkmale der abhängigen Ansprüche in beliebiger Weise auch nur teilweise miteinander kombiniert werden können.
    • Es zeigen:
    • Fig. 1
    ein herkömmliches Filmkühlloch mit gegenläufig rotierenden Wirbelpaaren,
    Fig. 2
    das herkömmliche Filmkühlloch in einem Querschnitt,
    Fig. 3
    das herkömmliche Filmkühlloch in einer Draufsicht,
    Fig. 4
    ein erfindungsgemäßes Filmkühlloch in einer perspektivischen Ansicht,
    Fig. 5
    das erfindungsgemäße Filmkühlloch mit gegenläufig rotierenden Wirbelpaaren,
    Fig. 6
    einen Querschnitt durch eine das erfindungsgemäße Filmkühlloch aufweisende Bauteilwand und
    Fig. 7
    eine zur ersten Oberfläche senkrechte Draufsicht auf das erfindungsgemäße Filmkühlloch.
  • Die Erfindung und das erfindungsgemäße Filmkühlloch 20 sind in den Figuren 4 bis 7 dargestellt, wohingegen die Figuren 1 bis 3 ein vorbekanntes Filmkühlloch 2 zeigen. Sowohl bei der Darstellung der Erfindung als auch bei der Darstellung des Standes der Technik sind identische Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Jedes der gezeigten Filmkühllöcher 2, 20 ist in einer heißgasbeaufschlagbaren Wand 14 als Durchgangsloch ausgebildet, so dass es sich von einer ersten Oberfläche 16 der Wand 14 zu einer dieser gegenüberliegenden zweiten Oberfläche 18 der Wand 14 erstreckt. Die erste Oberfläche 16 ist bei bestimmungsgemäßen Einsatz der Erfindung von einem heißeren Medium MH überströmt, wohingegen die zweite Oberfläche 18 währenddessen einem kühleren Medium MK ausgesetzt ist. Üblicherweise handelt es sich bei dem heißeren Medium um ein Arbeitsmedium und bei dem kühleren Medium um Kühlluft. Die Wand 14 kann beispielsweise ein Bestandteil einer Turbinenschaufel einer Turbomaschine, eines Ringsegments, einer Brennkammerwand oder dergleichen sein und dabei eine oder mehrere Reihen mit derartigen oder ähnlichen Filmkühllöcher 2, 20 aufweisen.
  • Die betreffenden Filmkühllöcher 2, 20 sind gegenüber den Oberflächen 16, 18 geneigt angeordnet. Jedes Filmkühlloch 2, 20 umfasst eine Einströmöffnung 22, welche in der zweiten Oberfläche 18 angeordnet ist. Durch diese Einströmöffnung 22 kann das kühlere Medium in das betreffende Filmkühlloch einströmen. Das eingeströmte Medium verlässt das betreffende Filmkühlloch 2, 20 durch eine in der ersten Oberfläche 16 angeordnete Ausströmöffnung 24.
  • Wie aus den Figuren 3 und 7 hervorgeht, reicht ein erster Längsabschnitt des Filmkühllochs 2, 20, nachfolgend Einströmabschnitt 26 genannt, von der Einströmöffnung 22 bis zu einem Übergangspunkt 25 und weist dabei einen konstanten Durchströmungsdurchmesser d auf. Mittels dieses Durchmessers d ist die Durchflussmenge an austretendem Medium MK einstellbar. Ab dem Übergangspunkt 25 ändert sich neben der Größe des durchströmbaren Querschnitts des Filmkühllochs auch dessen Kontur. In Bezug auf das das Filmkühlloch durchströmende kühlere Medium MK folgt mithin unmittelbar stromab des Übergangspunkt 25 ein sich stetig verändernder Diffusorabschnitt 28, welcher sich bis zur Ausströmöffnung 24 erstreckt.
  • Jedes Filmkühlloch besitzt eine virtuelle Längsachse LL, welche sich durch die Mittelpunkte des Einströmabschnitts 26 erstreckt und darüber hinaus verlängert. Die betreffenden Filmkühllöcher 2, 20 sind gegenüber der ersten Oberfläche 16 derart geneigt, dass die virtuelle zentrale Längsachse LL - in einer Querschnittbetrachtung durch die betreffende Wand 14 - mit einem stromauf liegenden Bereich 16a der zweiten Oberfläche 16 einen spitzen Neigungswinkel αN einschließt.
  • Längs der virtuellen Längsachse LL betrachtet weisen der Einströmabschnitt 26 die Länge Lcyl und der Diffusorabschnitt 28 die Länge Ldiff auf, die sich zu einer zur Lochlänge L zusammenfassen lassen.
  • Insbesondere der Diffusorabschnitt 28 des Filmkühllochs 2, 20 umfasst vier einzeln identifizierbare Seitenwände, die nachfolgend als Umfangsabschnitte bezeichnet werden und längs des Umlaufs ineinander übergehen. Ein erster Umfangsabschnitt UAH weist einen geringeren Abstand zur ersten Oberfläche 16 auf und ist damit dem heißeren Medium MH zugewandt. Dieser Umfangsabschnitt UAH endet einerseits an einer in Bezug auf das heißere Medium MH anströmseitigen Diffusorkante 34 und geht andererseits lateral beidseitig in jeweils einen seitlichen Umfangsabschnitt UAS1, UAS2 über. Die beiden seitlichen Umfangsabschnitte UAS1, UAS2 gehen jeweils dann in einen gemeinsamen Umfangsabschnitt UAK über, der einen geringeren Abstand zur zweiten Oberfläche 18 aufweist und damit dem kühleren Medium MK zugewandt ist. Der weitere Umfangsabschnitt UAK endet somit an einer in Bezug auf das heißere Medium MH abströmseitigen Diffusorkante 30, die vorzugsweise im Wesentlichen geradlinig ist. Insgesamt lässt sich ein Abstand wbc zwischen anströmseitiger Diffusorkante 34 und abströmseitige Diffusorkante 30 ermitteln.
  • In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Wände der seitlichen Umfangsabschnitte UAS1, UAS2 weitestgehend geradlinig ausgestaltet.
  • In einer Querschnittbetrachtung (vgl. Fig. 1) schließt der dem kühleren Medium zugewandte Umfangsabschnitt UAK mit der virtuellen Längsachse LL einen so genannten Rücklagewinkel α3 ein. Bei senkrechter Projektion (gemäß Fig. 3) auf die erste Oberfläche 16 kann ein Öffnungswinkel β1 jeweils zwischen den seitlichen Umfangsabschnitten UAS1, UAS2 des Diffusorabschnitts 28 und mit der virtuellen zentralen Längsachse LL erfasst werden.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die im Diffusorabschnitt 28 des Filmkühllochs 20 zunehmende Vergrößerung des Durchströmungsquerschnitts allein in einer Dimension (Lateralrichtungen LR) erfolgt. Dazu ist vorgesehen, dass der Rücklage-Winkel α3 einen Wert zwischen 1° und 0° aufweist. Mithin erfolgt die Zunahme des Durchströmungsquerschnitts hauptsächlich dadurch, dass die seitlichen Umfangsabschnitte UAS1, UAS2 des Filmkühllochs 20 divergieren, wohingegen im Diffusorabschnitt 28 der Abstand zwischen dem dem heißeren Medium MH zugewandten Umfangsabschnitt UAH und dem dem kühleren Medium MK zugewandten Umfangsabschnitt UAK an der Ausströmöffnung 24 höchstens nur unwesentlich größer wird als der Durchmesser d des Einströmabschnitts 26.
  • Damit wird das Gebiet-Verhältnis (area-ratio) vergrößert: für einen gegebenen Massenstrom an kühlerem Medium durch das betreffende Filmkühlloch 20 kann die Strömungsgeschwindigkeit an der Ausströmöffnung 24 des Filmkühllochs 20 im Vergleich zu einem konventionellen Filmkühlloch 2 reduziert werden, wodurch die Tendenz des austretenden Strahls an kühlerem Medium MK zur Ablösung von der ersten Oberfläche 16 reduziert werden kann.
  • Bevorzugt ist die zwischen dem Übergangspunkt 25 und der Ausströmöffnung 24 erfassbare Länge Ldiff des Diffusorabschnitts 28 größer als der 7-fache Durchmesser d des Einströmabschnitts 26. Damit wird erreicht, dass der Diffusorabschnitt vergleichse lang ist und sich somit hinreichend aufweiten kann. Im Betrieb kann sich dann ein vergleichsweise breiter Kühlluftfilm ausbilden.
  • Erfindungsgemäß weist die diffusorartige Aufweitung des Filmkühllochs 20 im Diffusorabschnitt 28 unmittelbar stromab des Übergangspunkts 25 - in einer Querschnittbetrachtung durch die betreffende Wand 14 - eine Diffusorhöhe h auf, die kleiner ist als der Durchmesser d des Einströmabschnitts 26. Vorzugsweise ist sie kleiner als 50% des Durchmessers d. Dadurch beginnt der Diffusoreingang mit einer vergleichsweise sachten Diffusoraufweitung, was die Neigung der Kühlluftströmung zu Ablösungen verringert. Zudem beginnt die diffusorartige Aufweitung des Filmkühllochs 20 nicht an demjenigen Abschnitt des Umfangs des Filmkühllochs 20, welches der zweiten Oberfläche 18 am nächsten ist, sondern an den beiden seitlichen Abschnitten des Umfangs. Damit kann eine verlustärmere Auffächerung der Strömung im Inneren des Filmkühllochs 20 erreicht, da sich eine Druckverteilung einstellt, die weniger asymmetrisch, sondern eher vergleichmäßigt ist.
  • Gleichfalls ist eine zur Strömungsrichtung des heißeren Mediums MH senkrecht erfassbare Breite B der Ausströmöffnung 24 größer als bei konventionellen Filmkühllöchern 2 mit vergleichbaren Diffusoröffnungsverhältnissen. Dies beeinflusst die gegenläufig rotierenden Wirbelpaare 23 positiv, welche gewöhnlich an den äußeren seitlichen Rändern der Ausströmöffnung 24, d.h. den gedachten Verlängerungen der seitlichen Umfangsabschnitten UAS1 und UAS2 auftreten. Gleichzeitig hat dies einen Einfluss erster Ordnung auf den Mischungsprozess von kühlerem Medium MK und heißerem Medium MH. Wie in Figur 5 gezeigt, kann der Abstand der beiden Schenkel der gegenläufig rotierenden Wirbelpaare 23 durch das vorgeschlagene Design vergrößert werden. Dadurch wird das im Bereich der virtuellen zentralen Längsachsse LL ausströmende kühlere Medium MK weniger durch die gegenläufig rotierenden Wirbelpaare 23 beeinflusst, was die Durchmischung reduziert. Auch die Stärke der gegenläufig rotierenden Wirbelpaare 23 kann dadurch reduziert werden. Im Ergebnis führt dies zu einer vergrößerten Abdeckung der ersten Oberfläche 16 mit dem gewünschten Kühlluftfilm.
  • Weiter führt die größere Spreizung, d.h. der im Vergleich zum Stand der Technik vergrößerte Öffnungswinkel β1 des Diffusorabschnitts 28 in zur Strömungsrichtung des heißeren Mediums MH senkrechter Richtung (Lateralrichtung LR) zu einer gleichmäßigeren Verteilung des kühleren Mediums MK an der Ausströmöffnung 24. Damit kann ein lokales Überkühlen der ersten Oberfläche 16 im zentralen Bereich der virtuellen Längsachse LL unmittelbar stromab der abströmseitigen Diffusorkante 30 reduziert werden. Insgesamt kann damit die Kühlung vergleichmäßigt werden. Aus diesem Grunde ist der Öffnungswinkel β1 nicht größer als 12°. Vorzugsweise liegt er bei 11,5°.
  • Vorzugsweise ist die anströmseitige Diffusorkante 34 symmetrisch gekrümmt ausgestaltet, wobei dessen mittlerer Bereich geringfügig weiter stromauf angeordnet ist als seine seitlichen Enden. Hierdurch lässt sich das Filmkühlloch 20 einfacher produzieren, da zuerst der Einströmabschnitt gebohrt und anschließend die Kontur des Diffusorabschnitts hergestellt werden kann.
  • Alle vorgenannten Vorteile führen insgesamt zu einem Anstieg der adiabatischen Filmkühlungwirksamkeit verglichen mit konventionellen Filmkühllöchern. Insbesondere weiter stromab des Filmkühllochs ist die durchschnittliche Filmkühlwirksamkeit des erfindungsgemäßen Filmkühllochs der Wirksamkeit von herkömmlichen Filmkühllöchern überlegen.
  • Insgesamt betrifft die Erfindung ein Filmkühlloch 20 von zu kühlenden Gasturbinen-Bauteilen, mit einem Einströmabschnitt 26 mit einem konstanten Durchströmungsquerschnitt, an dem sich ein Diffusorabschnitt 28 mit einem sich verändernden Durchströmungsquerschnitt anschließt. Um eine besondere effiziente Filmkühllung bereitzustellen, wird vorgeschlagen, dass die Aufweitung des Diffusorbereichs 26 lediglich in lateraler Richtung LR erfolgt.

Claims (7)

  1. Gekühltes Bauteil (12) für eine Turbine,
    mit einer Wand (14), die von einer ersten Oberfläche (16) und einer der ersten Oberfläche (16) gegenüberliegende zweite Oberfläche (18) begrenzt ist, wobei die erste Oberfläche (16) vorgesehen ist von einem heißeren Medium (MH), welches von einem stromaufliegenden Bereich (16a) zu einem stromabliegenden Bereich (16b) strömbar ist, umströmt zu werden, und wobei die zweite Oberfläche (18) vorgesehen ist mit einem kühleren Medium (MK) in Kontakt zu kommen,
    mit zumindest einem zur zweiten Oberfläche (18) geneigten Filmkühlloch (20) zur Durchleitung des kühleren Mediums (MK) durch die Wand zur zweiten Oberfläche (16),
    wobei das betreffende Filmkühlloch (20) umfasst:
    - eine in der zweiten Oberfläche (18) angeordnete Einströmöffnung (22), durch welche das kühlere Medium (MK) in das Filmkühlloch (20) einströmbar ist,
    - eine in der ersten Oberfläche (16) angeordnete Ausströmöffnung (24), durch welche das im Inneren des Filmkühllochs (20) strömbare kühlere Medium (MK) das Filmkühlloch (20) verlassen kann,
    - eine virtuelle zentrale Längsachse (LL), die sich mit einer Lochlänge (L) von der Einströmöffnung (22) bis zu der Ausströmöffnung (24) erstreckt,
    - vier Umfangsabschnitte, die entlang eines zur Längsachse tangentialen Umlaufs aufeinanderfolgend nacheinander ineinander übergehen:
    * einen dem heißeren Medium zugewandten Umfangsabschnitt (UAH),
    * einen ersten seitlichen Umfangsabschnitt (UAS1),
    * einen dem kühleren Medium zugewandten Umfangsabschnitt (UAK) und
    * einen zweiten seitlichen Umfangsabschnitt (UAS2),
    - einen zwischen der Einströmöffnung (22) und einem Übergangspunkt (25) angeordneten Einströmabschnitt (26) mit einem konstanten Durchströmungsquerschnitt und
    - einen von dem Übergangspunkt (25) bis zur Ausströmöffnung (24) angeordneten Diffusorabschnitt (28 mit einer diffusorartigen Aufweitung des Filmkühllochs (20)und mit einem in dieser Richtung zunehmenden Durchströmungsquerschnitt,
    - eine abströmseitigen Diffusorkante (30), an der der dem kühleren Medium zugewandte Umfangsabschnitt (UAK) an die zweite Oberfläche (16) angrenzt,
    - eine anströmseitigen Diffusorkante (34), an der der dem heißeren Medium zugewandte Umfangsabschnitt (UAH) an die zweite Oberfläche (16) angrenzt und
    - einen Abstand (wbc) zwischen anströmseitiger Diffusorkante (34) und abströmseitige Diffusorkante (30), wobei die Neigung des Filmkühllochs (20) gegenüber der ersten Oberfläche (16) derart ist, dass die virtuelle zentrale Längsachse (LL) - in einer Querschnittbetrachtung durch die betreffende Wand (14) - mit dem stromauf liegenden Bereich (16a) der zweiten Oberfläche (16) einen spitzen Neigungswinkel (αN) einschließt, und
    wobei der dem kühleren Medium (MK) zugewandte Umfangsabschnitt (UAK) mit der virtuellen Längsachse (LL)
    - in einer Querschnittbetrachtung durch die betreffende Wand (14) - einen Rücklage-Winkel (α3) einschließt,
    wobei,
    der Rücklage-Winkel (α3) einen Wert kleiner als 1° aufweist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die diffusorartige Aufweitung des Filmkühllochs (20) im Diffusorabschnitt unmittelbar stromab des Übergangspunkts (25) - in einer Querschnittbetrachtung durch die betreffende Wand (14) - eine Diffusorhöhe (h) aufweist, die kleiner ist als der Durchmesser (d) des Einströmabschnitts (26).
  2. Bauteil (12) nach Anspruch 1,
    bei dem die zwischen dem Übergangspunkt (25) und der Ausströmöffnung (24) erfassbare Länge (Ldiff) des Diffusorabschnitts (28) größer ist als der 7-fache Durchmesser (d) des Einströmabschnitts (26).
  3. Bauteil (12) nach Anspruch 1 oder 2,
    bei dem die seitlichen Umfangsabschnitte (UAS1, UAS2) des Diffusorabschnitts (28) bei senkrechter Projektion zur ersten Oberfläche (16) geradlinig ausgestaltet sind und diese mit der virtuellen zentralen Längsachse (LL) einen Öffnungswinkel (β1) von mindestens 11,5° einschließen.
  4. Bauteil (12) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
    bei dem die abströmseitige Diffusorkante (30) im Wesentlichen gerade ist.
  5. Bauteil (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    bei dem die anströmseitige Diffusorkante (34) gekrümmt ist.
  6. Bauteil (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    bei dem der Abstand (wbc) im Wesentlichen dem Durchmesser (d) des Einströmabschnitts (26) geteilt durch den Sinus des Neigungswinkels (αN) entspricht: wbc = d / sind (αN).
  7. Bauteil (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Vielzahl entsprechender Filmkühllöcher (20), angeordnet in ein oder mehreren Reihen.
EP17715064.6A 2016-03-23 2017-03-22 Filmkühlloch in gasturbinen bauteilen Active EP3408501B1 (de)

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