[0001] Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine.
[0002] Strömungsmaschinen, wie zum Beispiel Gasturbinen, Turbinen oder Verdichter, verfügen
über strömungsführende Baugruppen, die an einer ersten Seite der Strömungsführung
eines ersten Mediums dienen, welches eine erste Temperatur aufweist.
[0003] Insbesondere bei Turbinen sowie bei Gasturbinen im Bereich einer Turbine oder einer
Brennkammer der Gasturbine verfügt das erste Medium, welches an der ersten Seite der
strömungsführenden Baugruppe geführt wird, über eine sehr hohe Temperatur, die es
erforderlich macht, die strömungsführende Baugruppe zu kühlen. Dabei ist es aus dem
Stand der Technik bereits bekannt, die strömungsführende Baugruppe an einer zweiten
Seite mit einem zweiten Medium zu kühlen, welches eine Temperatur aufweist, die niedriger
als die erste Temperatur ist.
[0004] So offenbart die
DE 10 2006 042 124 B4 eine Gasturbine mit einer Brennkammer, wobei eine Wand der Brennkammer innen, an
einer ersten Seite der Strömungsführung der Brennstoffströmung dient. An einer zweiten
Seite ist die Wand der Brennkammer über eine Prallkühlung gekühlt, wobei sich hierzu
mit Abstand von der zu kühlenden Wand der Brennkammer ein Prallgitter erstreckt, das
Öffnungen aufweist. Über die Öffnungen des Prallgitters ist das zweite Medium auf
die zweite Seite der strömungsführenden Baugruppe, nämlich der Wand der Brennkammer,
führbar bzw. leitbar, um dieselbe zu kühlen.
[0005] Der
DE 10 2006 042 124 B4 kann entnommen werden, dass zwischen der zweiten Seite der zu kühlenden strömungsführenden
Baugruppe und dem Prallgitter ein Spalt ausgebildet ist, dessen Breite durch den Abstand
zwischen der zweiten Seite der strömungsführenden, zu kühlenden Baugruppe und dem
Prallgitter definiert ist. Das zweite Medium, welches der Kühlung dient, strömt durch
die Öffnungen des Prallgitters hindurch und zwar in einer Strömungsrichtung, die in
etwa senkrecht zum Prallgitter sowie zur zu kühlenden Baugruppe verläuft. Über den
Spalt wird eine Abführströmung des zweiten Mediums aus dem Spalt abgeführt, die in
etwa senkrecht zur Strömung des zweiten Mediums durch die Öffnungen des Prallgitters
verläuft. Diese Abführströmung des zweiten Mediums aus dem Spalt kann die sich durch
die Öffnungen des Prallgitters erstreckende Strömung des zweiten Mediums, die auf
die zu kühlende Baugruppe im Bereich der zweiten Seite der zu kühlenden Baugruppe
treffen soll, beeinträchtigen. Hierdurch kann die Effektivität der Prallkühlung reduziert
werden. Dies ist von Nachteil.
[0006] Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine neuartige
Strömungsmaschine mit verbesserter Prallkühlung zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch
eine Strömungsmaschine nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß sind im Bereich zumindest
einiger der Öffnungen Strömungsführungselemente für das zweite Medium ausgebildet,
die sich ausgehend vom Prallgitter in Richtung auf die zu kühlende zweite Seite der
strömungsführenden Baugruppe erstrecken.
[0007] Die Strömungsführungselemente für das zweite Medium gewährleisten, dass die über
die Öffnungen des Prallgitters geführte Strömung des zweiten Mediums definiert auf
die zweite Seite der zu kühlenden Baugruppe der Strömungsmaschine gerichtet wird.
Hierdurch kann die Prallkühlung verbessert werden. Die Gefahr, dass eine Abführströmung
des zweiten Mediums aus dem Spalt zwischen der zu kühlenden Baugruppe und dem Prallgitter
die über die Öffnungen geführte Strömung des zweiten Mediums beeinträchtigt, kann
so effektiv reduziert werden.
[0008] Vorzugsweise ist zwischen der zweiten Seite der strömungsführenden Baugruppe und
dem Prallgitter ein Spalt ausgebildet, dessen Breite durch den Abstand zwischen der
zweiten Seite der strömungsführenden Baugruppe und dem Prallgitter definiert ist.
Die Strömungsführungselemente für das zweite Medium erstrecken sich ausgehend vom
Prallgitter bis maximal 80% der Breite des Spalts und vorzugsweise minimal 40% der
Breite des Spalts in den Spalt hinein. Insbesondere erstrecken sich die Strömungsführungselemente
für das zweite Medium ausgehend vom Prallgitter bis maximal 70% und vorzugsweise minimal
50% der Breite des Spalts in den Spalt hinein. Solche Strömungsführungselemente erlauben
eine besonders effektive Prallkühlung der zu kühlenden Baugruppe der Strömungsmaschine.
[0009] Vorzugsweise deckt das jeweilige Strömungsführungselement für das zweite Medium das
zweite Medium im Bereich des jeweiligen Strömungsführungselements vor der Abführströmung
des zweiten Mediums aus dem Spalt ab. Auch hiermit ist eine besonders effektive Kühlung
der zu kühlenden Baugruppe der Strömungsmaschine mithilfe der Prallkühlung möglich.
[0010] Vorzugsweise ist das jeweilige Strömungsführungselement zumindest als eine Düse ausbildet.
Über eine Düse kann insbesondere die Strömungsgeschwindigkeit des zweiten Mediums
erhöht werden, um die Kühlung der zu kühlenden Baugruppe mithilfe der Prallkühlung
noch effektiver zu gestalten.
[0011] Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf
beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
- Fig. 1
- ein Detail einer Strömungsmaschine im Bereich einer strömungsführenden Baugruppe und
eines Prallgitters;
- Fig. 2
- ein Detail der Strömungsmaschine im Bereich eines Strömungsführungselements;
- Fig. 3
- ein weiteres Detail der Strömungsmaschine im Bereich eines alternativen Strömungsführungselements;
- Fig. 4
- ein weiteres alternatives Strömungsführungselement;
- Fig. 5
- ein weiteres alternatives Strömungsführungselement; und
- Fig. 6
- ein weiteres alternatives Strömungsführungselement.
[0012] Die hier vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, wie zum Beispiel
eine Turbine, einen Kompressor oder eine Gasturbine, die neben einer Brennkammer eine
Turbine umfasst. Eine Strömungsmaschine verfügt über mehrere strömungsführende Baugruppen.
[0013] Bei einer Gasturbine handelt es sich zum Beispiel bei der Brennkammer um eine strömungsführende
Baugruppe, welche eine Brennstoffströmung auf einer ersten Seite einer Wand der Brennkammer
führt. Bei weiteren strömungsführenden Baugruppen einer Strömungsmaschine, wie zum
Beispiel einer Gasturbine, kann es sich um sogenannte Decksegmente handeln, die sich
radial außen an Laufschaufeln einer Turbinenstufe, zum Beispiel einer Hochdruckturbinenstufe,
anschließen und an einer ersten Seite der Strömungsführung des in der Turbine zu entspannenden
Mediums dienen.
[0014] Strömungsführende Baugruppen einer Strömungsmaschine sind hohen Temperaturen ausgesetzt,
insbesondere dann, wenn das an der ersten Seite der strömungsführende Baugruppe zu
führende erste Medium eine hohe Temperatur aufweist, wie dies im Bereich einer Brennkammer
eines Gasturbine oder einer Hochdruckturbinenstufe der Fall ist.
[0015] Daher ist es grundsätzlich bekannt, diese strömungsführende Baugruppe an einer zweiten,
der ersten Seite gegenüberliegenden Seite mit einem zweiten Medium zu kühlen, das
eine zweite Temperatur aufweist, die niedriger als die erste Temperatur ist. Diese
Kühlung mithilfe des zweiten Mediums kann über eine Prallkühlung erfolgen.
[0016] Die hier vorliegende Erfindung betrifft nun solche Details, mithilfe derer die Prallkühlung
an einer strömungsführenden, zu kühlenden Baugruppe einer Strömungsmaschine verbessert
werden kann.
[0017] Fig. 1 bis 3 zeigen jeweils Ausschnitte aus einer erfindungsgemäßen Strömungsmaschine
im Bereich einer strömungsführenden, zu kühlenden Baugruppe 10 sowie im Bereich eines
Prallgitters 11. Die strömungsführende Baugruppe 10 verfügt über eine erste Seite
12, die der Strömungsführung eines ersten Mediums dient, wobei es sich bei dieser
strömungsführenden Baugruppe 10 zum Beispiel um die Wand einer Brennkammer oder auch
um ein Decksegment von Laufschaufeln einer Hochdruckturbinenstufe handeln kann.
[0018] An einer zweiten gegenüberliegenden Seite 13 ist die strömungsführende Baugruppe
10 mithilfe eines zweiten Mediums kühlbar, welches eine zweite Temperatur aufweist,
die niedriger als die erste Temperatur ist. Dieses zweite Medium wird über das Prallgitter
11 in Richtung auf die zweite Seite 13 der strömungsführenden, zu kühlenden Baugruppe
10 geführt bzw. gerichtet.
[0019] Das Prallgitter 11 verfügt über Öffnungen 14, wobei das zweite Medium über die Öffnungen
14 des Prallgitters in Richtung auf die zweite Seite 13 der zu kühlenden Baugruppe
10 strömt. Zwischen der zweiten Seite 13 der strömungsführenden, zu kühlenden Baugruppe
10 der Strömungsmaschine und dem die Öffnungen 14 aufweisenden Prallgitter 11 ist
ein Spalt 15 ausgebildet.
[0020] Die Breite X des Spalts 15 ist durch den Abstand zwischen der zweiten Seite 13 der
strömungsführenden Baugruppe 10 und dem Prallgitter 11 definiert.
[0021] In Fig. 2 und 3 ist mit Pfeilen 16 die Strömung des zweiten Mediums durch die Öffnungen
14 des Prallgitters 11 in Richtung auf die zweite Seite 13 der strömungsführenden,
zu kühlenden Baugruppe 10 visualisiert. Pfeile 17 visualisieren eine Abführströmung
des zweiten Mediums aus dem Spalt 15 heraus.
[0022] Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist im Bereich mindestens einer der Öffnungen
14 des Prallgitters 11, vorzugsweise im Bereich jeder der Öffnungen 14 des Prallgitters
11, ein Strömungsführungselement 18, 19 für das zweite Medium ausgebildet. Jedes Strömungsführungselement
18 bzw. 19 erstreckt sich ausgehend vom Prallgitter 11 in Richtung auf die zu kühlende,
zweite Seite 13 der strömungsführenden Baugruppe 10 in den Spalt 15 hinein, wobei
das jeweilige strömungsführende Element 18, 19 vorzugsweise mit Abstand von der zweiten
Seite 13 der strömungsführenden Baugruppe 10 endet.
[0023] Das jeweilige Strömungsführungselement 18, 19 definiert sozusagen einen strömungsführenden
Kanal 23, welcher die jeweilige strömungsführende Öffnung 14 des Prallgitters 11 in
Richtung auf die zu kühlende, zweite Seite 13 der strömungsführenden Baugruppe 10
fortsetzt.
[0024] Jedes Strömungsführungselement 18, 19 ist in seiner Länge insbesondere derart bemessen,
dass sich das Strömungsführungselement 18, 19 ausgehend vom Prallgitter 11 bis maximal
80% der Breite X des Spalts 15 in den Spalt 15 hinein erstreckt, besonders bevorzugt
bis maximal 70% der Breite X des Spalts 15. Die minimale Länge der Strömungsführungselemente
18, 19 beträgt dabei vorzugsweise 40% der Breite X des Spalts 15, besonders bevorzugt
mindestens 50% der Breite X des Spalts 15.
[0025] Wie den Fig. 1 bis 3 entnommen werden kann, sind die Strömungsführungselemente 18,
19 derart ausgebildet, dass die Strömungsführungselemente 18, 19 für das zweite Medium
die sich durch die Öffnungen 14 erstreckende Strömung des zweiten Mediums im Bereich
des jeweiligen Strömungsführungselements 18, 19 vor der Abführströmung 17 des zweiten
Mediums aus dem Spalt 15 zumindest teilweise abdecken. Dabei können die Strömungsführungselemente
18, 19 unterschiedlich konturiert sein, ebenso können die Strömungsführungselemente
unterschiedliche Längen aufweisen, also ausgehend vom Prallgitter 11 unterschiedlich
weit in den Spalt 15 hineinragen.
[0026] Das Strömungsführungselement 18 der Fig. 1, 2 ist im Querschnitt kreisförmig bzw.
rohrartig konturiert.
[0027] Das Strömungsführungselement 19 der Fig. 1, 3 ist im Querschnitt halbkreisförmig
bzw. halbrohrartig konturiert.
[0028] Die Strömungsführungselemente können auch teilkreisförmig oder ellipsenförmig oder
halbellipsenförmig oder teilellipsenförmig oder sparrenförmig oder dergleichen ausführt
sein.
[0029] Fig. 4, 5 und 6 zeigen weitere Varianten möglicher Strömungsführungselemente 20,
21 und 22. Das Strömungsführungselement 22 der Fig. 6 weist einen im Querschnitt kreisförmig
bzw. rohrartig konturieren, ersten Abschnitt 22a und einen im Querschnitt halbkreisförmig
bzw. halbrohrartig konturieren, zweiten Abschnitt 22b auf. Die Strömungsführungselemente
18, 19 und 22 der Fig. 1, 2, 3 und 6 verlaufen jeweils senkrecht zum Prallgitter 11.
Die Strömungsführungselemente 20, 21 der Fig. 4 und 5 verlaufen jeweils gegenüber
einer Senkrechten zum Prallgitter 11 geneigt.
[0030] Während in Fig. 4 die Öffnung 14 im Prallgitter 11 geneigt ist und absatzlos in einen
vom Strömungsführungselement 20 definierten, strömungsführenden Kanal 23 übergeht,
ist in Fig. 5 zwischen der Öffnung 14 des Prallgitters 11 und dem strömungsführenden
Kanal 23 des Strömungsführungselements 21 ein Absatz bzw. eine Umlenkung ausgebildet.
[0031] Hinsichtlich anderer Details der Strömungsführungselemente 20, 21 und 22 kann auf
die Ausführungen zu den Strömungsführungselemente 18, 19 verwiesen werden.
[0032] Das jeweilige Strömungsführungselement 18, 19, 20, 21, 22 kann zumindest abschnittsweise
als Düse ausgebildet sein oder eine Düse aufnehmen. Über die Verengung des Strömungsführungselements
18, 19, 20, 21, 22 zu einer Düse kann die Strömungsgeschwindigkeit der über die Öffnung
14 des Prallgitters 11 geführten Strömung 16 des zweiten Mediums erhöht werden, wodurch
die Prallkühlung noch effektiver gestaltet werden kann.
[0033] Das jeweilige Strömungsführungselement 18, 19, 20, 21, 22 ist vorzugsweise integraler
Bestandteil des Prallgitters 11 und kann über ein additives bzw. generatives Fertigungsverfahren
am Prallgitter 11 aufgebaut werden. Das jeweilige Strömungsführungselement 18, 19,
20, 21, 22 kann jedoch auch als separate Baugruppe ausgeführt und mit dem Prallgitter
11 verbunden sein.
[0034] Die Öffnungen 14 des Prallgitters 11 sind typischerweise kreisrund konturiert. Die
Erfindung kommt vorzugsweise dort zur Anwendung, wo die Breite X des Spalts 15 zwischen
der zu kühlenden Baugruppe 10 und dem Prallgitter 11 größer ist als zwei Mal der Durchmesser
der Öffnungen 14 des Prallgitters 11. In diesem Anwendungsfall kann die Erfindung
besonders vorteilhaft genutzt werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen bevorzugten
Anwendungsfall beschränkt.
Bezugszeichenliste
[0035]
- 10
- Baugruppe
- 11
- Prallgitter
- 12
- erste Seite
- 13
- zweite Seite
- 14
- Öffnung
- 15
- Spalt
- 16
- Pfeil
- 17
- Pfeil
- 18
- Strömungsführungselement
- 19
- Strömungsführungselement
- 20
- Strömungsführungselement
- 21
- Strömungsführungselement
- 22
- Strömungsführungselement
- 23
- Kanal
1. Strömungsmaschine,
mit einer strömungsführenden Baugruppe (10), die an einer ersten Seite (12) der Strömungsführung
eines ersten Mediums dient, das eine erste Temperatur aufweist, und die an einer zweiten
Seite (13) mit einem zweiten Medium kühlbar ist, das eine zweite Temperatur aufweist,
die niedriger als die erste Temperatur ist,
mit einem sich mit Abstand zur strömungsführenden Baugruppe (10) erstreckenden, Öffnungen
(14) aufweisenden Prallgitter (11), wobei über die Öffnungen (14) des Prallgitters
(11) das zweite Medium auf die zweite Seite (13) der strömungsführenden Baugruppe
(10) leitbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Bereich zumindest einiger der Öffnungen (14) Strömungsführungselemente (18, 19,
20, 21, 22) für das zweite Medium ausgebildet sind, die sich ausgehend vom Prallgitter
(11) in Richtung auf die zu kühlende zweite Seite (13) der strömungsführenden Baugruppe
(10) erstrecken.
2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsführungselemente (18, 19, 20, 21, 22) für das zweite Medium mit Abstand
von der zweiten Seite (13) der strömungsführenden Baugruppe (10) enden.
3. Strömungsmaschine nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen der zweiten Seite (13) der strömungsführenden Baugruppe (10) und dem Prallgitter
(11) ein Spalt (15) ausgebildet ist, dessen Breite durch den Abstand zwischen der
zweiten Seite (13) der strömungsführenden Baugruppe (10) und dem Prallgitter (11)
definiert ist,
die Strömungsführungselemente (18, 19, 20, 21, 22) für das zweite Medium sich ausgehend
vom Prallgitter (11) bis maximal 80% der Breite des Spalts (15) in den Spalt (15)
hinein erstrecken.
4. Strömungsmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsführungselemente (18, 19, 20, 21, 22) für das zweite Medium sich ausgehend
vom Prallgitter (11) bis maximal 70% der Breite des Spalts (15) in den Spalt (15)
hinein erstrecken.
5. Strömungsmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsführungselemente (18, 19, 20, 21, 22) für das zweite Medium sich ausgehend
vom Prallgitter (11) bis mindestens 40% der Breite des Spalts (15) in den Spalt (15)
hinein erstrecken.
6. Strömungsmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsführungselemente (18, 19, 20, 21, 22) für das zweite Medium sich ausgehend
vom Prallgitter (11) bis mindestens 50% der Breite des Spalts (15) in den Spalt (15)
hinein erstrecken.
7. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich jeder Öffnung (14) ein Strömungsführungselement (18, 19, 20, 21, 22) für
das zweite Medium ausgebildet ist.
8. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Strömungsführungselement (18, 19, 20, 21, 22) für das zweite Medium
im Querschnitt kreisförmig oder halbkreisförmig oder teilkreisförmig oder ellipsenförmig
oder halbellipsenförmig oder teilellipsenförmig oder sparrenförmig ausgeführt ist.
9. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Strömungsführungselement (18, 19, 20, 21, 22) für das zweite Medium
das zweite Medium im Bereich des jeweiligen Strömungsführungselements (18, 19) vor
einer Abführströmung des zweiten Mediums aus dem Spalt (15) abdeckt.
10. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Strömungsführungselement (18, 19, 20, 21, 22) zumindest abschnittsweise
als eine Düse ausbildet ist.
11. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Strömungsführungselement (18, 19, 22) senkrecht zum Prallgitter (11)
verläuft.
12. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Strömungsführungselement (20, 21) gegenüber einer Senkrechten zu dem
Prallgitter (11) geneigt ist.