[0001] Die Erfindung betrifft einen Kühlkanal für ein zu kühlendes Bauteil gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
[0002] Es ist bekannt, insbesondere Turbinenschaufeln von Gasturbinen während des Betriebs
der Gasturbine mit Kühlluft zu kühlen. Hierzu weisen die in der Regel gegossenen Turbinenschaufeln
Hohlräume auf, welche von Kühlluft durchströmbar sind. Die oberflächennah angeordneten
Hohlräume können mit Hindurchführen von Kühlluft als Kühlkanäle bezeichnet werden
und dienen zur Kühlung der dem Heißgas ausgesetzten Außenwände der Turbinenschaufel.
Die Kühlung der Turbinenschaufel erfolgt, damit deren Material den während des Betriebs
der Gasturbine auftretenden hohen Heißgastemperaturen dauerhaft standhalten kann.
Die zu Kühlzwecken vorgesehene Kühlluft wird in der Regel dem Verdichtermassenstrom
entnommen. Die Entnahme von Kühlluft reduziert in ungewollter, jedoch in zwangsweise
hinzunehmender Weise den Wirkungsgrad der Gasturbine.
[0003] Außerdem ist es zur Vermeidung von NOx-Emissionen und akustischen Problemen in der
Brennkammer bei immer höher werdenden Turbineneintrittstemperaturen notwendig, immer
mehr Kühlluft einzusparen. Durch den daraus resultierenden geringeren Kühlluftmassenstrom
ergibt sich in den Kühlkanälen eine geringere Strömungsgeschwindigkeit für die Kühlluft,
die zwangsläufig zu einem geringeren konvektiven Wärmeübergang an den Kanalwänden
führt.
[0004] Zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der in den Kühlkanälen strömenden Kühlluft
werden heutzutage in diesen Einsätze angeordnet, welche den Strömungsquerschnitt des
Kühlkanals wesentlich verringern und dabei gleichzeitig eine Verdrängung der im Kanal
strömenden Kühlluft zu den Kanalwänden hin bewirkt. Dies führt einerseits dazu, dass
aufgrund des geringeren Durchströmungsquerschnitts des Kühlkanals sich eine höhere
Strömungsgeschwindigkeit für die Kühlluft einstellt. Andererseits wird vermieden,
dass Kühlluft im Zentrum des Kühlkanals ungenutzt entlang strömen kann.
[0005] Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Kühlkanals eines zu kühlenden
Bauteils, der eine weitere Absenkung des Kühlmittelmassenstroms bei Aufrechterhaltung
der bisherigen Kühlkapazität oder der eine verbesserte Kühlkapazität - in Bezug auf
einen gleichgroßen Kühlmittelmassenstrom - ermöglicht.
[0006] Die Lösung sieht vor, dass der im Kühlkanal angeordnete Einsatz im Wesentlichen blechartig
ausgebildet ist und einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aufweist, wobei
der zweite Bereich mindestens zwei sich gegenüber dem ersten Bereich geneigte Leitelemente
umfasst, welche wechselseitig in entgegengesetzter Richtung geneigt sind.
[0007] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine teilweise Versperrung des
Strömungsquerschnitts des Kühlkanals, d.h. eine Reduzierung der für die Durchströmung
zur Verfügung stehenden Fläche auch dadurch erfolgen kann, dass der Einsatz eine besonders
große, zusätzlich zu überströmende Oberfläche umfasst. Der Haupteffekt der Versperrung
soll somit nicht durch eine beträchtliche mechanische Blockade des Strömungsquerschnittes
erfolgen. Die Versperrung, d.h. die Verringerung des zu durchströmenden Strömungsquerschnittes
des Kühlkanals soll erfindungsgemäß durch die Vergrößerung der zusätzlich zu überströmenden
Oberfläche im Kühlkanal erreicht werden, an welchen Oberflächen sich üblicherweise
Strömungsgrenzschichten ausbilden. Durch das Ausbilden von Strömungsgrenzschichten
kann die Hauptströmung entlang des Kühlkanals an die Oberflächen des Einsatzes angelenkt
werden, was ebenfalls den effektiven Strömungsquerschnitt reduziert. Für den Fall,
dass es sich um einen geschlossenen Kühlkanal handelt, kann somit eine Erhöhung der
Durchströmungsgeschwindigkeit des Kühlmittels erzielt werden, was den kühlkanalseitigen
Wärmeübergangskoeffizienten wesentlich verbessert. Das Kühlmittel kann dementsprechend
einfacher Wärme aus der heißeren Kühlkanalwand aufnehmen und abtransportieren. Hierdurch
kann Kühlmittel eingespart werden, welches dann dem Verbrennungsprozess wirkungsgradsteigernd
zur Verfügung steht.
[0008] Zudem kann durch die mindestens zwei geneigten Leitelemente, welche wechselseitig
in entgegensetzter Richtung geneigt sind, eine gerichtete Kühlmittelströmung auf die
heißeren Kühlkanalwände erreicht werden. Somit wird an dedizierten Abschnitten oder
Bereichen der Kühlkanalwand erstens ein gewisser Prallkühleffekt erzielt. Zweitens
kann dort die Strömungs- und Temperaturgrenzschicht an den Kanalwänden gestört werden.
Beide Effekte führen zu einem weiter verbesserten Wärmeübergang, ohne dass die Menge
an Kühlmittel dafür weiter erhöht werden muss.
[0009] Ferner kann mit dem erfindungsgemäßen Einsatz eine Durchmischung der heißeren und
kälteren Strömungsbereiche erreicht werden. Üblicher Weise bilden sich im zur konvektiven
Kühlung vorgesehenen Kühlkanal eine wandnahe und eine wandferne, zentrale Strömung
aus. Die wandnahe Strömung heizt sich mehr auf als die im Zentrum des Kanals auftretende
Strömung, so dass die wandnahe Strömung einen heißeren Strömungsbereich und die wandferne
Strömung einen kälteren Strömungsbereich darstellen. Durch die wechselnde Anordnung
der Leitelemente in entgegengesetzter Richtung wird die im Zentrum des Kühlkanals
strömende Teilströmung auch zu den Kühlkanalwänden hingeleitet und der nahe einer
Kühlkanalwand strömende Teilstrom wird zum Zentrum des Kühlkanals umgelenkt. Durch
die Umlenkung und durch die vorhandenen Kanten der Leitelemente entstehen Sekundärströmungen,
insbesondere longitudinale Wirbelstrukturen, welche zu einer besonders gute Durchmischung
von heißeren und kühleren Strömungsbereichen führt. Durch die gesteigerte Durchmischung
kann das den Kühlkanal durchströmende Kühlmittel besonders gleichmäßig erwärmt und
somit besonders effizient ausgenutzt werden.
[0010] Die Struktur jedes Einsatzes umfasst einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich.
Der erste Bereich ist plattenförmig ausgebildet und somit blechartig. Der zweite Bereich
umfasst zwei plattenartige Elemente, welche - bezogen auf die Erstreckung des ersten
Bereichs - wechselseitig in entgegengesetzter Richtung geneigt sind, wodurch sie das
an ihnen entlang strömende Kühlmittel umleiten können; sie wirken dann erfindungsgemäß
als Leitelemente. In einer Seitenansicht weist der Einsatz somit die Form eines ,Y'
auf, wobei der untere Teil des ,Y' vom ersten Bereich gebildet werden und die beiden
nach oben ragenden Arme des ,Y' jeweils von einem Leitelement gebildet wird, welche
dabei in räumlicher Tiefe zueinander versetzt sind. Aufgrund der insgesamt blechartigen
Ausführung des Einsatzes kann dieser besonders einfach in glatte und geradlinige Kühlkanäle
eingeschoben werden. Der Einsatz kann aufgrund seiner flexiblen blechartigen Struktur
in gekrümmte Kühlkanäle eingeschoben und verwendet werden.
[0011] Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
[0012] Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung sind die Leitelemente durch einen
Schlitz voneinander getrennt. Neben einer einfacheren Herstellbarkeit des Einsatzes
ermöglicht dies eine bessere Durchmischung von durch die Leitelemente umgelenkten
Kühlmittel, da das in den schlitznahen Bereichen strömende Kühlmittel durch Verwirbelung
und Turbulation auch das entlang des wechselseitigen Leitelements strömende Kühlmittel
beeinflussen und sich mit diesem durchmischen kann.
[0013] Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Leitelemente plattenartig
ausgebildet und schließen mit der Kanallängsachse jeweils einen Anstellwinkel ein,
welcher maximal 35° beträgt. Durch einen derartig kleinen Anstellwinkel können Ablösungen
der Kühlmittelströmung im Bereich des Einsatzes vermieden werden. Ablösungen würden
zu einem größeren Druckverlust im Kühlkanal führen. Zudem prallt das von den Leitelementen
umgelenkte Kühlmittel in einem ebenso kleinen Winkel auf die Kanalwand. Obgleich des
kleinen Aufprallwinkels kann die Grenzschichtströmung an der Kanalwand dort ausreichend
gestört werden, um einen verbesserten Wärmeübergang zu erreichen. Auch ein übermäßiger
Druckverlust durch eine eventuell zu stark umgelenkte Teilströmung kann somit vermieden
werden.
[0014] Besonders bevorzugt ist die Ausgestaltung, bei der die Wanddicke des ersten Bereichs
des Einsatzes größer ist als die Wanddicke der Leitelemente und bei der der erste
Bereich zur Abstützung von einander gegenüberliegenden Kühlkanalwänden teilweise mit
diesen verbunden ist. Für diese Ausgestaltung wird eine feste Materialverbindung zwischen
dem eingeschobenen Einsatz und den Kühlkanalwänden hergestellt, wobei der erste Bereich
des Einsatzes zusätzlich nach Art einer Rippe eine Versteifung der Kühlkanalwände
bzw. des Bauteils ermöglicht. Damit die von dem ersten Bereich aufzunehmenden Kräfte
keine Schädigung dessen bewirken, ist dieser dicker ausgeführt als die Leitelemente,
welche keine tragende Funktion aufweisen.
[0015] Vorzugsweise weist jeder Einsatz eine Vielzahl von Leitelementen auf, wodurch eine
besonders intensive Verwirbelung des im Kühlkanal strömenden Kühlmittels erreicht
werden kann. Da lediglich die Leitelemente eine Umlenkung des im Kanal entlang strömenden
Kühlmittels bewirken sollen, ist der erste Bereich im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet,
wobei sich dessen Oberfläche parallel zur Kanallängsachse erstreckt. Der erste Bereich
verblockt somit nur in geringem Maße den Strömungsquerschnitt des Kühlkanals.
[0016] Zweckmäßigerweise können mehrere Einsätze in einem Kühlkanalabschnitt angeordnet
sein und dabei eine Gruppe bilden. Ebenso können mehrere Einsätze oder mehrere Gruppen
nacheinander im Kühlkanal angeordnet sein, wobei nacheinander angeordnete Einsätze
oder Gruppen jeweils gegeneinander verdreht angeordnet sind. Insbesondere hierdurch
wird eine besonders effiziente Durchmischung der heißeren und kälteren Strömungsbereiche
des im Kühlkanal entlang strömenden Kühlmittels erreicht.
[0017] Der Kühlkanal ist vorzugsweise in einem heißgasbeaufschlagten Bauteil einer Gasturbine
angeordnet und kann dabei als Turbinenschaufel, als Brennkammer, als Führungsringsegment
oder als Gasturbinengehäuse ausgebildet sein.
[0018] Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels, welches in der
Zeichnung dargestellt ist, näher beschrieben. Weitere Merkmale der Erfindung und weitere
Vorzüge sind zudem in der Figurenbeschreibung aufgeführt.
[0019] Es zeigen:
- FIG 1
- einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kühlkanal mit mehreren darin angeordneten
Einsätzen,
- FIG 2
- den Längsschnitt gemäß Schnitt II-II durch einen Kühlkanal gemäß FIG 1.
[0020] FIG 1 und FIG 2 zeigen jeweils einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kühlkanal
10, welcher in einem zu kühlenden Bauteil 12 angeordnet ist. Das Bauteil 12 kann beispielsweise
als eine Turbinenschaufel, eine Brennkammer, ein einer Turbinenlaufschaufel gegenüberliegendes
Führungsringsegment oder als ein Gasturbinengehäuse ausgebildet sein. Der Kühlkanal
10 umfasst eine Kanallängsachse 14, entlang derer sich der Kühlkanal 10 erstreckt.
Der Kühlkanal 10 wird dabei von mindestens einer Kühlkanalwand 16 entlang seiner Erstreckung
begrenzt. In der Regel ist die Außenseite 18 der Kühlkanalwand 16 von einem Heißgas
umströmbar, welches in der Gasturbine zur Erzeugung mechanischer Energie eingesetzt
wird. Beispielsweise kann der Kühlkanal 10, sofern er im Querschnitt gesehen kreisförmig
ist, lediglich eine Kühlkanalwand 16 aufweisen. Ist der Kühlkanal 10, wie im vorliegenden
Beispiel in FIG 1 und FIG 2, jedoch rechteckig, so sind insgesamt vier, einander paarweise
gegenüberliegende Kühlkanalwände 16 vorhanden, von denen in der Regel ein Paar zu
kühlen sind. Dies ist beispielsweise bei einem Schaufelblatt einer Turbinenschaufel
der Fall, welche mehrere entlang der Schaufelblattmittenlinie aufeinanderfolgende
Kühlkanäle aufweist.
[0021] Im Kühlkanal 10 ist eine Vielzahl von Einsätzen 20 angeordnet. Jeder Einsatz 20 umfasst
einen ersten Bereich 22 sowie einen zweiten Bereich 24. Der zweite Bereich 24 umfasst
dabei mindestens zwei Leitelemente 26, welche wechselseitig in entgegengesetzter Richtung
geneigt sind. Dies wird exemplarisch am Einsatz 20a näher erläutert. Der zweite Bereich
24 des Einsatzes 20a umfasst ein erstes, nach oben geneigtes Leitelement 26a sowie
ein zweites, gemäß FIG 1 nach unten geneigtes Leitelement 26b. Die Leitelemente 26a,
26b sind entlang einer senkrecht zur Zeichnungsebene stehenden Achse versetzt zueinander
angeordnet und dabei durch einen nicht weiter dargestellten Schlitz voneinander getrennt.
Die Neigung der Leitelemente 26 ist dabei so gewählt, dass sie mit der Kanallängsachse
14 jeweils einen Anstellwinkel α einschließen, welcher maximal 35° beträgt. Mehrere
in einem Abschnitt 30 des Kühlkanals 10 angeordnete Einsätze 20 bilden dabei eine
Gruppe 32 von Einsätzen 20, wobei - entlang der Kanallängsachse 14 betrachtet - mehrere
Gruppen 32 und somit mehrere Einsätze 20 nacheinander angeordnet sein können.
[0022] Die entlang der Kanallängsachse 14 aufeinanderfolgenden Einsätze 20 bzw. Gruppen
32 von Einsätzen 20 sind dabei vorzugsweise um einen Winkel von jeweils 90° gegeneinander
verdreht angeordnet, was in den unterschiedlichen Schnittdarstellungen gemäß FIG 1
und FIG 2 dargestellt ist. Der Kühlkanal 10 weist einen Einströmbereich 34 auf, in
dem als Kühlmittel Kühlluft 36 in den Kühlkanal 10 eingespeist werden kann. Die entlang
der Kühlkanalachse 14 strömende Kühlluft wird von den zweiten Bereichen 24 der Elemente
20 gemäß den Pfeilen 38 umgelenkt. Hierdurch wird zumindest ein Teil des Kühlmittels
auf die Kühlkanalwand umgelenkt, wodurch in diesem Bereich eine Art Prallkühlung der
Kühlkanalwand erreicht werden kann. Die Prallkühlung führt weiter zu einer Störung
der Strömungs- und Temperaturgrenzschichten an den Kühlkanalwänden 16, was insgesamt
zu einem höheren Wärmeübergang führt. Dementsprechend kann die Kühlluft 36 die in
den Kanalwänden 16 vorhandene Wärmeenergie besonders effizient aufnehmen und abtransportieren.
Aufgrund der wechselseitig in entgegengesetzter Richtung geneigten Leitelemente 26
kann zudem eine besonders effiziente Durchmischung von heißeren und kälteren Strömungsbereichen
gemäß den Pfeilen 40 erreicht werden. Aufgrund der Vergrößerung der von der Kühlluft
36 zu überströmenden Fläche durch die Verwendung der Einsätze 20 erfolgt eine Reduzierung
der für die Durchströmung der Kühlluft 36 zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche,
wodurch die Geschwindigkeit der Kühlluftströmung selber erhöht werden kann.
[0023] Obwohl nicht weiter dargestellt ist es möglich, dass die Wanddicke des ersten Bereichs
22 des Einsatzes 20 größer ist als die Wanddicke der Leitelemente 26. In diesem Fall
sind die ersten Bereiche 22 des Einsatzes 20 zur Abstützung und zur Versteifung gegenüberliegender
Kühlkanalwände 16 ausgebildet. Die Kühlkanalwände 16 können dann mit den ersten Bereichen
22 beispielsweise durch Löten oder Schweißen verbunden sein. Einer der Verbindungsbereiche
44 ist in FIG 2 schematisch angedeutet. Sofern der Kühlkanal 10 entlang seiner Längserstreckung
geschlossen ist, kann durch die Versperrung des Kühlkanals 10 eine Erhöhung der Durchströmungsgeschwindigkeit
bei gleichbleibendem Kühlluftmassenstrom erreicht werden. Die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit
führt zu einer verbesserten Aufnahme der in den Kühlwänden 16 vorhandenen Wärmeenergie
durch die daran konvektiv vorbeiströmende Kühlluft.
[0024] Insgesamt wird mit der Erfindung ein Kühlkanal 10 für ein zu kühlendes Bauteil 12
angegeben, in welchem mehrere blechartige Einsätze 20 angeordnet sind. Die Einsätze
20 umfassen einen ersten Bereich 22 und einen zweiten plattenförmigen Bereich 24,
wobei der zweite Bereich 24 mindestens zwei Leitelemente 26 umfasst, die wechselseitig
in entgegengesetzter Richtung geneigt sind. Durch die Verwendung des Einsatzes 20
soll einerseits eine teilweise Versperrung des Kühlkanals 10 erfolgen, wobei der Haupteffekt
zur Verringerung des Strömungsquerschnitts nicht durch eine mechanische Blockade erzielt
werden soll, sondern durch die Vergrößerung der zusätzlich zu überströmenden Oberfläche
des Einsatzes 20, an welcher sich Strömungsgrenzschichten ausbilden. Andererseits
soll ein Teil der im Kühlkanal 10 entlang strömenden Kühlluft 36 auf Bereiche der
heißen Kühlkanalwände 16 geleitet werden, was in gewissem Maße zu einer Prallkühlung
des betreffenden Kühlkanalbereichs führt. Gleichfalls werden dadurch die an den Kanalwänden
16 vorhandenen Strömungs- und Temperaturgrenzschichten gestört, wobei beide Effekte
zu einem höheren Wärmeübergang beitragen. Des Weiteren unterstützen die Einsätze 20
eine bessere Durchmischung von heißerer, d. h. kühlkanalwandnaher Kühlluftströmung
und kälterer, d. h. wandferner (zentraler) Kühlluftströmung durch die wechselnde Anordnung
der in entgegengesetzter Richtung geneigten plattenförmigen Leitelemente 26. Durch
die Verwendung eines erfindungsgemäßen Kühlkanals 10 in einem zu kühlenden Bauteil
12, beispielsweise in einer Turbinenschaufel, einer Brennkammer, eines Führungsringsegments
oder eines Gasturbinengehäuses kann entweder unter Aufrechterhaltung einer gleichbleibenden
Kühleffektivität die dafür notwendige Menge an Kühlluft reduziert werden. Oder es
ist möglich, bei gleichgroßer Kühlluftmenge eine verbesserte Kühlung des zu kühlenden
Bauteils 12 anzugeben.
1. Kühlkanal (10) für ein zu kühlendes Bauteil (12),
mit einer Kanallängsachse (14), entlang derer sich der Kühlkanal (10) erstreckt und
mit mindestens einer Kühlkanalwand (16), die den Kühlkanal (10) entlang seiner Erstreckung
begrenzt sowie
mit zumindest einem im Kühlkanal (10) angeordneten Einsatz (20), welcher Einsatz (20)
derartig ausgebildet ist, dass zumindest Bereiche (24) dessen eine Umlenkung des entlang
des Kühlkanals (10) strömenden Kühlmittels (36) auf einen Abschnitt der Kühlkanalwand
(16) bewirkt,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Einsatz (20) im Wesentlichen blechartig ausgebildet ist und einen ersten Bereich
(22) und einen zweiten Bereich (24) aufweist,
wobei der zweite Bereich (24) mindestens zwei, sich gegenüber dem ersten Bereich (22)
geneigte Leitelemente (26) umfasst, welche wechselseitig in entgegengesetzter Richtung
geneigt sind.
2. Kühlkanal (10) nach Anspruch 1,
bei dem die Leitelemente (26) durch einen Schlitz voneinander getrennt sind.
3. Kühlkanal (10) nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem die Leitelemente (26) plattenartig ausgebildet sind und mit der Kanallängsachse
(14) jeweils einen Anstellwinkel (α) einschließen, welcher maximal 35° beträgt.
4. Kühlkanal (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
bei dem die Wanddicke des ersten Bereichs (22) des Einsatzes (20) größer ist als die
Wanddicke der Leitelemente (26) und
bei dem zur Abstützung der Kühlkanalwände (16) gegeneinander zumindest der erste Bereich
(22) teilweise mit den Kühlkanalwänden (16) verbunden ist.
5. Kühlkanal (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem Einsatz (20) flexibel
ausgebildet ist und der Kühlkanal (10) entlang seiner Kanallängsachse (14) gekrümmt
ist.
6. Kühlkanal (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Einsatz (20) eine
Vielzahl von Leitelementen (26) aufweist.
7. Kühlkanal (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der erste Bereich (22)
plattenförmig ausgebildet ist und dessen Oberfläche sich parallel zur Kanallängsachse
(14) erstreckt.
8. Kühlkanal (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, in dem in einem Kühlkanalabschnitt
mehrere Einsätze (20) unter Bildung einer Gruppe nebeneinander angeordnet sind.
9. Kühlkanal (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, in dem entlang der Kanallängsachse
(14) mehrere Einsätze (20) nacheinander angeordnet sind.
10. Kühlkanal (10) nach Anspruch 9,
in dem nacheinander angeordnete Einsätze (20) jeweils zueinander verdreht angeordnet
sind.
11. Kühlkanal (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, welcher entlang seiner Kanallängsachse
(14) geschlossen ist.
12. Bauteil (12) mit mindestens einem Kühlkanal (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
13. Bauteil (12) nach Anspruch 12,
welches als Turbinenschaufel, als Brennkammer, als Führungsringsegment oder als Gasturbinengehäuse
ausgebildet ist.
14. Gasturbine mit mindestens einem Bauteil (12) nach einem der Ansprüche 12 oder 13.