WO2004035992A1

WO2004035992A1 - Kühlbares bauteil

Info

Publication number: WO2004035992A1
Application number: PCT/EP2003/050694
Authority: WO
Inventors: Stefan Tschirren; Bernhard Weigand; Jens Von Wolfersdorf
Original assignee: Alstom Technology AG; Alstom Schweiz AG
Current assignee: General Electric Switzerland GmbH; GE Vernova GmbH
Priority date: 2002-10-18
Filing date: 2003-10-06
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2005-04-18
Also published as: DE10248548A1; AU2003301451A1

Abstract

Auf Wänden von Kühlkanälen (14) eines kühlbaren Bauteils, beispielsweise eines Brennkammerwandsegmentes (11), sind Unebenheitselemente (6), mit definierter Geometrie gezielt angeordnet. Die Höhe der Unebenheitselemente liegt im Bereich von 2 % bis 5 % des hydraulischen Durchmessers des Kühlkanals. Die Elemente sind damit gerade gross genug, um in der wandnahen laminaren Unterschicht einer vollturbulenten Kühlströmung einen turbulenten Queraustausch mit der Kernströmung anzuregen. Dadurch wird der wandnahe kühlungsseitige Wärmeübergang deutlich verbessert, ohne durch eine Beeinflussung der Kernströmung den Druckverlust der Kühlströmung signifikant zu erhöhen.

Description

Kühlbares Bauteil

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein kühlbares Bauteil gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Bauteile sind besonders für die Verwendung im Heissgaspfad von Gasturbinen, insbesondere als Schaufeln und als Wandelemente, geeignet. Die Wandelemente kommen bevorzugt als Brennkammer-Wandelemente von Gasturbinen zum Einsatz. Es werden weiterhin Verfahren zur Auslegung und zur Herstellung erfindungsgemässer gekühlter Bauteile beschrieben.

Stand der Technik

Bei thermisch hoch belasteten Komponenten, wie sie insbesondere in Gasturbinen auftreten, ist es nach dem Stand der Technik bekannt, in den Komponenten, oder auf deren Oberfläche, kühlmitteldurchströmte Kanäle vorzusehen. Während im Betrieb von einer Heissgasseite Wärme in die Komponente eingebracht wird, nimmt ein die Kühlkanäle durchströmendes Kühlmittel Wärme aus der Komponente auf, und verhindert so eine Überhitzung der Komponente. Zielsetzung des Konstrukteurs muss es sein, den heissgasseitigen Wärmeeintrag durch die Verwendung von Isolationsmaterialien wie TBC-Schutzschichten oder durch Filmkühlung zu vermindern und andererseits den kühlungsseitigen Wärmeübergang anzufachen. Bekannt ist beispielsweise die Verwendung von Rippen, wie in der EP 825332 beschrieben, oder von Pins, wie aus der DE 19654 115 bekannt, welche in die kühlmittelführenden Kanäle hineinragen, und insbesondere Turbulenz induzieren, welche den Queraustausch in der Strömung und damit die Wärmeableitung vom Bauteil intensivieren. Die dort beschriebenen

Elemente führen allerdings zu einer vergleichsweise grossen Versperrung der Kühlkanäle. Auch die erzeugten Wirbel sind bezogen auf die Kühlkanaldimensionen gross. Zusammen führt dies zu erheblichen Druckverlusten in den Kühlkanälen. Als Kühlmittel wird bei Gasturbinen normalerweise vom Verdichter vorverdichtete Luft verwendet. Aus verschiedenen Gründen, wie beispielsweise dem Wirkungsgrad, steht nur eine begrenzte Kühlluftmenge zur Verfügung, und ebenso nur ein begrenztes Druckgefälle zum Antrieb der Kühlluftströmung. Dem Konstrukteur stellt sich damit die Aufgabe, einen erhöhten Wärmeübergang bei gleichzeitig geringen Druckverlusten der Kühlströmung zu erreichen.

EP 945201 lehrt, Kühlkanäle mit rauhen Wänden auszuführen. Der dort beschriebenen Lehre liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei den hohen Reynoldszahleπ, die in Kühlkanälen von Gasturbinen auftreten - typischerweise um 60000 - 200000 in Kühlkanälen von Schaufeln und beispielsweise 300 000 und darüber bei der Kühlung von Brennkammern - ohnehin eine vollständig turbulente Strömung mit Queraustausch vorliegt, die allerdings in unmittelbarer Wandnähe von einer laminaren Unterschicht unterlegt ist, die den Queraustausch von Wärme zwischen der Kernströmung im Kühlkanal und der Wand behindert. Die dort beschriebene Erfindung schlägt vor, bei der Herstellung von Kühlkanälen in Schaufeln die Oberfläche der Gusskerne entweder gar nicht nicht oder mit vergleichsweise groben Werkzeugen zu bearbeiten, oder diese sogar beispielsweise durch Sandstrahlen zusätzlich aufzurauen. Damit wird dem Gusskern - analog auch einer Gussform - und damit dem Werkstück eine stochastische und insbesondere auch vollflächige Rauhigkeit mit geometrisch Undefinierten Rauhigkeitserhebungen aufgeprägt. Die Rauhigkeit wird dabei durch den Rauhigkeitsparameter D/2 k_s definiert. k_s wird die Sandkornrauhigkeit genannt; D ist der Durchmesser eines durchströmten Rohres. Für nicht kreisförmige Kanalquerschnitte kann im Falle voll ausgebildeter turbulenter Strömung, was bei den vorliegenden Reynoldszahlen der Fall ist, ohne weiteres der sogenannte hydraulische Durchmesser angesetzt werden, welcher als D_h = 4-A/U definiert ist, wobei für A der Kanalquerschnitt und für U dessen benetzter Umfang anzusetzen ist. Je kleiner der Rauhigkeitsparameter ist, desto rauher ist die Kanalwand. Die DE 945201 vergleicht Werte bei einem einen Rauhigkeitsparameter von 125 beispielhaft mit Werten bei Rauhigkeitsparametern von 60.

Aus einer Veröffentlichung in ISROMAC-7, Honululu, Hawaii (1998): 1682-1693 ist ein numerisches Verfahren zur Berechnung von Druckverlusten und Wärmeübergängen an Wänden mit Unebenheitselementen bekannt. Mit Hilfe dieses Verfahrens kann die Rauhigkeit oder Unebenheit der Kühlkanalwand hinsichtlich Wärmeübergang und Druckverlust optimiert werden. Die nach dem Stand der Technik bekannten stochastisch rauhen Wände erlauben aber nur den Rauhigkeitsparameter zu variieren, während die Flächenverteilung und die Geometrie der Unebenheitselemente nicht definiert werden kann. Auch die tatsächliche Höhe einzelner Unebenheiten ist nur über Statistiken definiert.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein gekühltes Bauteil gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Es ist insbesondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Bauteil so anzugeben, dass eine gezielte Einstellung und Optimierung der Druckverluste und Wärmeübergänge an den Kühlkanalwänden möglich ist, und, dass diese Grossen einer auch lokal aufgelösten Berechnung zugänglich sind. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit einem kühlbaren Bauteil gelöst, welches die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.

Kern der Erfindung ist es also, an den Wänden von Kühlkanälen von kühlbaren Bauteilen Unebenheitselemente gezielt und in regelmässigen Mustern anzuordnen. Die gezielte Anordnung ermöglicht es, Unebenheitselemente, im Gegensatz zu einer stochastischen Rauhigkeit, in definierten und kontrollierten Abständen voneinander anzuordnen. Ebenso ist es bei einem erfindungsgemässen Bauteil möglich, auf den Kanalwänden

Unebenheitselemente einer definierten Geometrie und einer definierten Höhe anzuordnen, wobei die Höhe der Unebenheitselemente äquivalent zur Sandkornrauhigkeit betrachtet werden kann. Dabei kann die relative Höhe der Unebenheitselemente, bezogen auf den hydraulischen Durchmesser des Kühlkanals, ohne weiteres in verschiedenen Bereichen der Kanalwände variieren. Die relative Höhe von jedenfalls mehr als 75% der Unebenheitselemente, bevorzugt aller Unebenheitselemente, liegt, bezogen auf den lokalen hydraulischen Durchmesser, aber stets im Bereich von 0.01 bis 0.05, entsprechend einem Rauhigkeitsparameter von 10 bis 50; bevorzugt wird die relative Höhe der Unebenheitselemente im Bereich von 0.02 bis 0.03 gewählt. Auch kann die Geometrie der Unebenheitselemente gegebenenfalls definiert werden; so können die Unebenheitselemente beispielsweise auf der Kanalwand aufstehende Stifte oder pilzförmige Elemente, oder auch, wie in ISROMAC-7, Honululu, Hawaii (1998): 1682-1693 dargestellt, Halbkugeln eines bestimmten Durchmessers sein; auch diese Geometrie kann selbstverständlich in Abhängigkeit von einer als optimal berechneten Auslegung in verschiedenen Bereichen der Kanalwände variieren.

In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Unebenheitselemente äquidistant auf den Kanalwänden angeordnet, und zwar insbesondere auf der Basis einer Anordnung in regelmässigen Dreiecken, oder Quadraten. Je nach gewähltem Fertigungsverfahren kann dies zu einer wesentlichen Vereinfachung des Herstellprozesses führen. Auch hier können wiederum die Muster der Anordnung wie auch die Abstände der Unebenheitselemente in verschiedenen Bereichen der Kanalwände variieren. Die Möglichkeit, die Unebenheitselemente gezielt und über die Erstreckung eines Kühlkanals sehr variabel anzuordnen, eröffnet, im Gegensatz zu einer stochastischen

Rauhigkeit, die Möglichkeit, die Unebenheiten gezielt so anzuordnen, wie es gemäss Auslegungsrechnungen mittels numerischer Grenzschichtmodelle, wie sie beispielsweise in ISROMAC-7, Honululu, Hawaii (1998): 1682-1693 beschrieben sind, wünschenswert ist. Andererseits ergeben sich bei der Ausführung kühlbarer Beiteile gemäss der Erfindung ganz wesentliche Vorteile gegenüber der Lehre aus EP 825332 und DE 196 54 115, wo der Fachmann ganz eindeutig die Lehre erhält, makroskopische Elemente in Form von Rippen oder Stiften anzuordnen. Diese weisen nämlich einen erheblichen Versperrungsgrad der Kühlkanäle auf, und erzeugen grossmassstäbliche Verwirbelungen, deren Ausdehnung in der Grössenordnung der Kanal- Quererstreckung liegen. Dort wird also die gesamte Kühlmittelströmung beeinflusst; insgesamt resultieren nach dem Stand der Technik erhebliche Druckverluste. Erfindungsgemäss werden Unebenheitselemente gezielt so angeordnet, dass sie im Wesentlichen gerade aus der laminaren Unterschicht einer vollturbulenten Kanalströmung - diese Bedingung ist bei den zur

Diskussion stehenden Einström-Reynoldszahlen von rund 200000 bis 400000 und darüber sicher erfüllt - herausragen, somit kleinmassstäbliche Turbulenzen in der laminaren Unterschicht, also in unmittelbarer Wandnähe, erzeugen, und damit letztlich ein Bindeglied für den turbulenten Queraustausch zwischen der Wand und der vollturbulenten Kernströmung im Kühlkanal darstellen. Die Unebenheitselemente werden daher auch als Mikroturbulatoren - im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Makroturbulatoren - oder als Grenschicht- oder Unterschichtturbulatoren bezeichnet, weil ihre erfindungsgemässe Wirkungsweise darin besteht, gezielt Turbulenz und damit letztlich Queraustausch in die laminare Unterschicht der Kühlkanalströmung einzubringen. Selbstverständlich ist es ohne Weiteres möglich, eine gezielte regelmässige Anordnung von Unebenheitselementen, Mikroturbulatoren, mit an sich bekannten makroskopischen Turbulatoren zu kombinieren. Dabei kommen als Turbulatoren beispielsweise die aus EP 825332 bekannten Rippen, die aus DE 19654 115 bekannten Stifte, oder auch wirbelerzeugende Elemente, sogenannten VGs, die aus CH 688868 bekanntgeworden sind, in Frage, wobei diese Aufzählung keineswegs als abschliessend zu verstehen ist. Im Vergleich zu den erfindungsgemässen Unebenheitselementen weisen diese makroskopischen Elemente eine wesentlich grössere Erstreckung aus der Kanalwand heraus auf; die Höhe dieser Elemente übersteigt 10% des hydraulischen Durchmessers deutlich, und liegt üblicherweise über 20% des hydraulischen Durchmessers des Kühlkanals. Weiterhin ist es ohne Weiteres auch denkbar und möglich, in die Kühlkanalwände in regelmässigen Mustern angeordnete Einsenkungen einzuarbeiten, und zwischen diesen Unebenheitselemente anzuordnen. Bei den Einsenkungen ist beispielsweise an sogenannte Dimples zu denken; dies sind kalottenförmige Einbuchtungen der Oberfläche, in der Art, wie sie beispielsweise auf der Oberfläche eines Golfballs angeordnet sind.

Erfindungsgemässe kühlbare Bauteile eignen sich insbesondere als Schaufeln oder Wandelemente im Heissgaspfad von Gasturbinen. Als Wandelement, insbesondere als Wandelement einer Gasturbinenbrennkammer, weist das erfindungsgemässe kühlbare Bauteil eine Heissgasseite und eine dieser gegenüberliegende Kühlungsseite auf, wobei in der Kühlungsseite wenigstens ein Kühlkanal angeordnet ist.

Zur Herstellung eines Bauteils, dessen Kühlkanal oder Kühlkanäle Unebenheitselemente gemäss der Erfindung aufweisen, bieten sich je nach den konkreten Gegebenheiten unterschiedliche Vorgehensweisen an. Bei Kühlkanälen, welche vollständig im Inneren des Bauteils verlaufen, wie es gerade bei Turbinenschaufeln der Fall ist, findet der Konstrukteur eine vorneweg recht komplizierte Geometrie vor, und es werden zur Herstellung der Kühlkanäle hochpräzise Gusskerne benötigt, welche im Allgemeinen aus keramischen Materialien bestehen. Dort besteht eigentlich nur die Möglichkeit, die Elemente in die Keramik-Grünlinge mit einzuformen, was insgesamt einen sehr hohen Aufwand bedeutet. Einfacher stellt sich die Situation bei Kühlkanälen in schindelartigen Brennkammer-Wandsegmenten dar, die im Allgemeinen auf der Kühlungsseite offen sind. Dort finden üblicherweise Wachskerne Verwendung. Einerseits ist es möglich, die Unebenheitselemente bereits in den Werkzeugen zur Herstellung der Wachskerne vorzusehen; dies bietet sich an, wenn Werkzeuge neu konstruiert werden. Wenn bereits vorhandene Werkzeuge benutzt werden sollen, bietet es sich auch an, den Wachskern zunächst mit einer ebenen Oberfläche herzustellen, und die Unebenheitselemente nachträglich mittels einer erwärmten Werkzeuges in den Wachskern einzuarbeiten oder Wachsteilchen aufzukleben. Dabei werden die Unebenheitselemente beim Guss, also beim Urformen, hergestellt. Aufgrund der relativen Abmessungen der zu fertigenden Details liegt diese Herstellung an der Grenze der heute bei Gussverfahren erreichbaren Präzision, so, dass kleine Kanten und Details möglicherweise nur unscharf im fertigen Werkstück abgebildet werden. Bei einerweiteren Herstellungsmethode werden zunächst Kühlkanäle mit glatten, ebenen Wänden hergestellt. Die Unebenheitselemente werden dann durch weitere Bearbeitungsschritte wie Schleifen, Pressen, Erodieren, oder Lasern in die Metalloberfläche eingebracht. Möglich ist es auch, die Unebenheitselemente aufzuschweissen oder aufzulöten, was eine besonders gut definierte Geometrie der Unebenheitselemente ermöglicht, oder sie durch eine Auftragsschweissung herzustellen; entscheidend ist hierbei, dass die Fügeverbindung den zur erwartenden Materialtemperaturen standhält. Dies stellt das aufwändigste Herstellverfahren dar, hat aber den Vorteil, dass auch kleine Unebenheitselemente sehr definiert und mit geringen Toleranzen angeordnet werden. Dabei erleichtert eine regelmässige Anordnung der Unebenheitselemente den Herstellungsprozess ganz erheblich und rationalisiert gleichermassen die Bereitstellung der notwendigen Werkzeuge. Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung illustrierten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Im einzelnen zeigen

Figuren 1 und 2 ein erstes Beispiel eines erfindungsgemässen Bauteils als

Turbinenschaufel;

Figur 3 eine weitere Ausführung eines erfindungsgemässen Bauteil, als

Brennkammer-Wandsegment; Figuren 4 bis 7 Beispiele für die Anordnung und Geometrie von

Unebenheitselementen in Kühlkanälen.

Dabei sind die dargestellten Ausführungsbeispiele lediglich instruktiv und keinesfalls einschränkend zu verstehen.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die Figuren 1 und 2 zeigen als erstes Beispiel für ein erfindungsgemässes kühlbares Bauteil eine Turbinenschaufel 1. Die Turbinenschaufel 1 wird im

Betrieb von einer Heissgasströmung 2 angeströmt und auf einer Heissgasseite 3 umströmt. Innerhalb der Schaufel ist ein Kühlkanal 4 angeordnet, der von einer Kühlluftströmung 5 durchströmt wird. Üblicherweise speist dieser Kühlluftkanal auf der Heissgasseite mündende Bohrungen für die Ausblasung von Kühlluft, welche dem Fachmann ohne weiteres geläufig, hier aber, da nicht unmittelbar erfindungsrelevant, nicht dargestellt sind. Die Darstellung des Kühlluftkanals ist keineswegs massstäblich, und in der Realität sind Turbinenschaufeln von Kühlluftkanälen in wesentlich komplexeren Geometrien durchzogen. Vorliegend handelt es sich jedoch um eine stark schematisierte Darstellung, die weniger der detaillierten Darstellung einer

Gasturbinenkomponente als der Visualisierung und Verdeutlichung der relevanten technischen Merkmale, welche die Erfindung ganz eindeutig vom Stand der Technik abgrenzen, dient. Der Kühlkanal ist vorliegend rechteckig mit den Querschnittsabmessungen b und t dargestellt. Unter der Voraussetzung, dass die Kühlluftströmung 5 vollturbulent ist, welche Bedingung bei Gasturbinenkomponenten allgemein erfüllt ist, kann der Querschnitt des Kühlkanals für die Kühlströmung auch durch den hydraulischen Durchmesser D_H ersetzt werden. Dieser ist definiert als der Durchmesser eines gedachten Kanals mit kreisförmigem Querschnitt, welcher ein identisches Verhältnis von Querschnittsfläche zu benetztem Umfang aufweist. Dieser äquivalente Ersatz ist zulässig, weil bei einer ausgebildeten vollturbulenten Strömung die Strömungsgeschwindigkeit über den gesamten Strömungsquerschnitt nahezu konstant ist, und der Druckverlust nur durch die Waπdschubspannung verursacht wird. Der hydraulische Durchmesser wird allgemein durch D_H = ⁴ ' Λ . definiert, wobei A der Strömungsquerschnitt und

U der benetzte Kanalumfang ist. Im vorliegenden Fall bestimmt sich der hydraulische Durchmesser aus D_H = ^{2 • D} 'Vt. ,\ . Die Kühlluftströmung weist

eine Reynoldszahl Re = ^{ü ' H}/ , wobei v die kinematische Viskosität der

Kühlluft darstellt und u die mittlere Strömungsgeschwindigkeit, welche Reynoldszahl grösser als 50000 ist, und typischerweise für Schaufelkühlungen im Bereich von 50000 bis 150000 und darüber liegt, und bei Brennkammern typische Werte über 300000 annimmt. Die Bedingung einer vollturbulenten Strömung im Kühlkanal 4 ist damit schon nach einer kurzen Einlaufstrecke erfüllt. Das bedeutet, dass im gesamten Kanalquerschnitt ein intensiver Queraustausch von Impuls und Wärme auftritt, mit Ausnahme einer in der Grössenordnung von hundertstel bis zehntel Millimeter dicken laminaren Unterschicht an den Kanalwänden, welche in der Tat den Wärmeübergang von den Kanalwänden in die Kühlströmung vermindert. Gemäss der Erfindung sind an den Kanalwänden gezielt Unebenheitselemente 6 angeordnet, deren Erhebung in den Kanal hinein das Mass h ist, welches gross genug ist, um die laminare Unterschicht zu durchdringen und gewissermassen ein Bindeglied zwischen der Kanalwand und der turbulenten Kernströmung herzustellen. Zur Charakterisierung der Höhe der Unebenheitselemente hat sich in der Fluiddynamik der Begriff des Rauhigkeitsparameters etabliert, der hier als D_H/2 h zu definieren wäre; umgekehrt kann auch eine relative Höhe der Unebenheitselemente als h/Dπ definiert werden. Diese relative Höhe bestimmt einerseits entscheidend die Druckverluste der Kühlluftströmung mit, und andererseits den Wärmeübergang von der Wand an die Kühlluftströmung. Bei den vorliegenden hohen Reynoldzahlen der Kühlluftströmung hat sich gezeigt, dass eine Erhöhung der relativen Höhe der Unebenheitselemente 6 über etwa 5% praktisch keinen signifikanten Einfluss mehr auf den Wärmeübergang hat, aber den Druckverlustbeiwert des Kühlkanals drastisch erhöht. Es hat sich gezeigt, dass, abhängig von der jeweiligen Konstellation, relative Höhen der Unebenheitselemente zwischen 1% und 5%, insbesondere 2% bis 3%, für die vorliegend hohen Reynoldszahlen einen besten Kompromiss zwischen geringen Druckverlusten und guten Wärmeübergängen darstellen. Da die Herstellung der Unebenheitselemente insbesondere in geschlossenen Kühlkanälen naturgemäss vergleichsweise grossen Toleranzen unterliegt, ist hier die Forderung sinnvoll, dass mehr als 75%, bevorzugt mehr als 90%, der Unebenheitselemente in dem spezifizierten Bereich der relativen Höhe liegen sollen. Es hat sich bei Berechnungen mit numerischen Grenzschichtverfahren auch gezeigt, dass die Anordnung und auch die Geometrie der Unebenheitselemente auf den Kanalwänden entscheidenden Einfluss auf deren Leistungsfähigkeit haben. Es sind daher, wie besonders in Figur 1 zu ersehen, die Unebenheitselemente 6 gezielt auf den Kanalwänden angeordnet, hier beispielsweise äquidistant auf einem dreieckigen Muster. Dieses Anordnungsmuster, ebenso wie die Höhe und die Form der Unebenheitselemente, kann dabei selbstverständlich in verschiedenen Bereichen der Kanalwände variieren. Die gezielte Anordnung von Unebenheitselementen ermöglicht dabei, im Gegensatz zu stochastischen Rauhigkeiten, eine Optimierung des Verhältnisses von Druckverlusten und Wärmeübergang aufgrund der Ergebnisse numerischer Berechnungen. Dabei wurde, ganz im Gegensatz zu dem Modell der Sandkornrauhigkeit, auch festgestellt, dass eine Streuung in der Höhe der Rauhigkeitselemente und lokal auftretende Höhenunterschiede einen ganz entscheidenden Einfluss auf den Druckverlust und den Wärmeübergang haben. So kann es beispielsweise vorkommen, dass eine Konfiguration aus zwei hohen und drei kleinen gezielt angeordneten Rauhigkeitselementen einer Konfiguration mit fünf identisch grossen Rauhigkeitselementen weitaus überlegen ist, obwohl die gemittelte Rauhtiefe - oder der Rauhigkeitsparameter- in beiden Fällen gleich ist, was bei einer globalen Betrachtung unter Berücksichtigung der äquivalenten Sandkornrauhigkeit nicht erfasst wird; nach diesen Modellen müssten die Werte beider Konfigurationen identisch sein. Weiterhin kann optional auch die Geometrie der Unebenheitselemente definiert werden, was einen weiteren Optimierungsparameter eröffnet. Wie in der Figur erkennbar, bestehen zwischen den einzelnen Unebenheitselementen 6 durchaus grössere Abstände, was sich günstig auf den Druckverlustbeiwert des Kühlkanals 4 auswirkt; wenn die Kanalwände hingegen mit einer stochastischen Rauhigkeit gleichen Rauhigkeitsparameters versehen werden, so weisen praktisch die gesamten Kanalwände Unebenheitselemente auf, was in erhöhten

Druckverlusten resultiert, ohne den Wärmeübergang in auch nur annähernd gleichem Masse günstig zu beeinflussen.

Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dargestellt ist ein Brennkammerwandsegment 11. 1m Betrieb wird dieses Element auf seiner Heissgasseite von Heissgas 2 überströmt, während Kühlkanäle 14 von Kühlluft durchströmt werden. Das Wandsegment 11 besteht aus einem im Allgemeinen metallischen Grundelement 12, auf das auf der Heissgasseite eine insbesondere keramische Temperaturschutzschicht 13 aufgebracht ist, welche an sich schon den Wärmeeintrag in das thermisch extrem hoch belastete Wandsegment 11 vermindert. Auf der gegenüberliegenden Seite sind drei Kühlkanäle 14 identischer Breite b und Tiefe t angeordnet. Auf die oben erwähnte Weise kann auch diesen Kanälen ein hydraulischer Durchmesser DH zugeordnet werden. An den Kanalwänden sind ebenfalls gezielt Unebenheitselemente angeordnet, welche bezüglich ihrer relativen Höhe, bezogen auf den hydraulischen Durchmesser der Kanäle, die oben aufgestellten Bedingungen erfüllen. Im Beispiel sind die Unebenheitselemente 6 nur an jeweils einer von drei Kanalwänden angeordnet. Dass die Kühlkanäle 14 nicht vollständig umschlossen sind, sondern eine offene Seite aufweisen, hat weitgehende Auswirkungen auf die Möglichkeiten zur Herstellung und Formgebung der Unebenheitselemente. Im Gegensatz zu vollständig umschlossenen Kühlkanälen müssen die Unebenheitselemente 6 nämlich nicht unmittelbar beim Urformen mit hergestellt werden, sondern können aufgrund der Zugänglichkeit der Kanalwände durch spanende Bearbeitung oder nachträgliches Fügen oder Auftragen hergestellt werden. So kann die Herstellung der Unebenheitselemente beispielsweise durch Fräsen, Schleifen, Presen, Erodieren oder Laserbearbeitung erfolgen; andererseits können vorgefertigte Elemente aufgeschweist, aufgelötet, oder durch sonstige geeignete Fügeverfahren, welche den im Betrieb auftretenden Belastungen standhalten, an den Kanalwänden befestigt werden, was die definiertesten Geometrien erlaubt. Auch eine Herstellung durch Auftragsschweissen ist durchaus geeignet. Selbstverständlich ist es in jedem Falle auch möglich, die Unebenheitselemente bereits beim Urformen herzustellen. Bei einem Brennkammer-Wandsegment der dargestellten Art werden die Kühlkanäle üblicherweise durch Wachskerne urgeformt. Dabei kann einerseits das Wachstool entsprechend geformt werden, um ein Negativ der gewünschten Unebenheitselemente auszubilden. Die Rauhigkeitselemente können weiterhin mittels eines erwärmten Werkzeuges in eine glatte Oberfläche eines Wachstools eingearbeitet oder in Form von Wachsteilchen aufgeklebt werden. Die Herstellung während des Urformens ist zwar im Vergleich zu einer nachträglichen Bearbeitung der Metalloberfläche deutlich weniger aufwändig; die zu erzielende Präzision ist aber deutlich geringer, da die

Unebenheitselemente mit Ihrer geringen Grosse an der Grenze der erreichbaren Genauigkeit von Gussverfahren liegen. So ist das im Einzelfall zu wählende Herstellverfahren letztlich eine Folge einer Abwägung zwischen einer notwendigen Fertigungsgenauigkeit und den Herstellkosten.

Die Figuren 4 bis 7 bieten einen Einblick in die Vielfalt der möglichen Anordnungen und Geometrien von Unebenheitselementen. Dabei zeigt Figur 4a eine Draufsicht auf ein Bauteil 12 mit einem Kühlkanal 4, in dem unterschiedliche Geometrien von Unebenheitselementen 6A, 6B, 6C, 6D in unterschiedlichen Mustern angeordnet sind, wobei weder die dargestellten Elementgeometrien noch die Anordnungsmuster abschliessend zu betrachten sind. Die Darstellung ist ebenfalls nicht massstäblich; die Unebenheitselemente sind im Sinne einer effektiven Darstellbarkeit stark vergrössert dargestellt. Figur 4b zeigt eine Seitenansicht des Kanals mit den Unebenheitselementen. In einem ersten Bereich des Kühlkanals sind halbkugelförmige Unebenheitselemente 6A in einer äquidistanten Anordnung erkennbar. Weiter stromab der Kühlströmung 5 sind kegelförmige Elemente 6B und Elemente 6C mit Pyramidengeometrie angeordnet. In einem weiteren Bereich der Kanalwand befinden sich stabförmige Unebenheitselemente 6D auf einem quadratischen Anordnungsmuster. Andere Anordnungsmuster und Elementgeometrien sind ebenfalls möglich. Eine Variation der Höhe und/oder Form der Unebenheitselemente kann zu einer gezielten Beeinflussung der lokalen Wärmeübergänge genutzt werden. So kann eine Variation der Geometrie insbesondere dazu beitragen, lokal unterschiedliche Turbulenzmuster und damit auch verschiedenen Wärmeübergänge zu realisieren. Aufgrund der gezielten und wohldefinierten Anordnung der Unebenheitselemente sind der Wärmeübergang und der Druckverlust an den unterschiedlichen Stellen der Kanalwände lokal aufgelöst einer numerischen Berechnung mit Hilfe von Grenzschichtmodellen ohne weiteres zugänglich. Umgekehrt kann die Anordnung und Geometrie der Unebenheitselemente mit Hilfe der Berechnungen gezielt so eingestellt werden, dass ein bestes Verhältnis zwischen Druckverlust und Wärmeübergang resultiert.

Figur 5 zeigt eine andere mögliche Ausgestaltung eines Kühlkanals bei einem kühlbaren Bauteil gemäss der Erfindung. Interessant ist dabei die gemischte Anordnung von Unebenheitselementen, Mikroturbulatoren 6 mit rippenförmigen Makroturbulatoren 7, die an sich aus dem Stand der Technik bekannt sind. Figur 7 zeigt eine Anordnung, bei der Mikroturbulatoren 6 und strömungsgünstige wirbelerzeugende Elemente 7 in einem Kühlkanal angeordnet sind. Diese wirbelerzeugenden Elemente, welche auch als Vortex Generators, VGs, bezeichnet werden, sind aus der CH 688868 bekanntgeworden, welche Schrift hinsichtlich der Beschreibung dieser Elemente einen integrierenden Bestandteil der vorliegenden Beschreibung aufweist. Diese gemischte Anordnung vermag durchaus weitreichende synergetische Effekte von Makroturbulatoren und Mikroturbulatoren zu entwickeln, in der Hinsicht, den Wärmeübergang bei möglichst geringem Druckverlust zu verbessern, oder den Betriebsbereich derTurbulenzerzeugung zu verbessern. So kann können beispielsweise die Makroturbulatoren 7 angeordnet werden, um die Kernströmung grossräumig gezielt zu beeinflussen. Die Mikroturbulatoren beeinflussen die Grenzschicht oder laminare Unterschicht der Kühlmittelströmung, welche durch die Makrowirbel nur unzureichend erfasst wird, ohne dabei die Kernströmung zu beeinflussen, und insbesondere ohne zusätzliche Druckverluste zu verursachen. Dies kann dann von Vorteil sein, wenn die Kühlmittelströmung in Sonderfällen nur eine geringe Reynoldszahl aufweist, oder, wenn die Reynoldszahl der Kühlmittelströmung im Betrieb stark variiert., derart, dass nicht immer selbstverständlich eine vollturbulente Kühlmittelströmung gewährleistet ist. In diesem Falle scahffen die Markoturbulatoren günstige Anströmbedingungen für die mit Mikroturbulatoren oder Unebenheitselementen versehenen Kanalabschnitte, welche dort wiederum auf die oben beschriebene Weise ihre vorteilhafte Wirkung entfalten. Selbstversändlich wäre es auch durchaus möglich, die Unebenheitselemente, Mikroturbulatoren, rippenförmig oder als VG's auszugestalten; das Entscheidende Kriterium ist die relative Höhe im Vergleich zum hydraulischen Durchmesser des Strömungskanals.

Die Figur 7 zeigt schliesslich eine Konfiguration, bei der an den Wänden eines Kühlkanals Einsenkungen 8 in Kombination mit Mikroturbulatoren 6 angeordnet sind. Bei diesen Einsenkungen 8 handelt es sich im dargestellten Fall um sogenannte Dimples. Dies sind kalottenförmige Einsenkungen, ähnlich denen, die auf der Oberfläche eines Golfballs angeordnet sind, und hier in Verbindung mit den Unebenheitselementen 6 die Grenzschicht und damit letztich den wandnahen Wärmeübergang wirkungsvoll zu beeinflussen vermögen.

Bezugszeichenliste

1 Bauteil, Turbinenschaufel 2 Heissgasström u n g

3 Heissgasseite

4 Kühlkanal

5 Kühlströmung

6 Unebenheitselemente 6A, 6B, 6C, 6D Unebenheitselemente

7 Makroturbulatoren (Rippen, VG's)

8 Einsenkungen, "Dimples"

11 Bauteil, Wandelement, Brennkammerwandsegment

12 Grundmaterial 13 Temperaturschutzschicht

14 Kühlkanal

b Kühlkanalabmessung t Kühlkanalabmessung h Höhe der Unebenheitselemente

Claims

Patentansprüche

1. Kühlbares Bauteil (1 , 11), insbesondere für die Verwendung im Heissgaspfad einer Gasturbine, mit einer Heissgasseite (3, 13) und wenigstens einem Kühlkanal (4, 14), welcher einen hydraulischen Durchmesser aufweist, wobei auf den Kühlkanalwänden Unebenheitselemente (6) angeordnet sind, deren Höhe (h) bezogen auf den hydraulischen Durchmesser des Kühlkanals im Bereich von 0.02 bis 0.05 liegt., dadurch gekennzeichnet, dass die Unebenheitselemente gezielt in regelmässigen Mustern auf den Kanalwänden angeordnet sind.

2. Bauteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Unebenheitselemente äquidistant angeordnet sind.

3. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Muster in verschiedenen Bereichen der Kanalwände variieren.

4. Bauteil nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände der Unebenheitselemente in verschiedenen Bereichen der

Kanalwände variieren.

5. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die relative Höhe der Unebenheitselemente in verschiedenen Bereichen der Kanalwände variiert.

6. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Kühlkanalwänden sowohl Unebenheitslemente (6) als auch makroskopische Turbulenzgeneratoren (7) , insbesondere Rippen und VG's, angeordnet sind.

7. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Kühlkanalwänden Einsenkungen (8) angeordnet sind.

8. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Schaufel (1) einer Gasturbine ist.

9. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Wandelement (11), umfassend eine Heissgasseite (13) und eine Kühlungsseite, ist, wobei in der Kühlungsseite der wenigstens eine

Kühlkanal (14) angeordnet ist.

10. Brennraum, insbesondere Brennkammer einer Gasturbine, umfassend ein Wandelement gemäss Anspruch.9.

11.Verfahren zur Bestimmung der Anordnung und Geometrie von

Unebenheitselementen in einem Kühlkanal eines Bauteils gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend die Schritte:

Vorgabe einer ersten Kühlkanalgeometrie; Berechnung der Druckverluste und des Wärmeübergangs in dem Kühlkanal mittels eines numerischen Grenzschichtverfahrens;

Veränderung der Kühlkanalgeometrie; neuerliche Berechnung der Druckverluste und des Wärmeübergangs in dem Kühlkanal mittels eines numerischen Grenzschichtverfahrens; Vergleich der Ergebnisse der Berechnungen für verschiedene

Kühlkanalgeometrien;

Wiederholung der Schritte: Verändern der Kühlkanalgeometrie und neuerliche Berechnung, bis ein Zielwert oder ein Optimum erreicht ist.