DE10202783A1

DE10202783A1 - Gekühltes Bauteil für eine thermische Maschine, insbesondere eine Gasturbine

Info

Publication number: DE10202783A1
Application number: DE2002102783
Authority: DE
Inventors: Reinhard Fried; Joerg Stengele
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: GE Vernova GmbH
Priority date: 2002-01-25
Filing date: 2002-01-25
Publication date: 2003-07-31
Also published as: WO2003062607A1

Abstract

Bei einem gekühlten Bauteil für eine thermische Maschine, insbesondere eine Gasturbine, strömt zur Prallkühlung ein Kühlmedium, insbesondere Kühlluft, aus einem Verteilungsraum durch eine mit verteilt angeordneten Löchern (32) versehene und vor einer Kühlfläche (27) des Bauteils mit Abstand angeordnete Lochplatte (29), trifft in Form von Kühlmediumstrahlen (33) auf die Kühlfläche (27) auf und strömt im Wesentlichen parallel zur Kühlfläche (27) im zwischen Kühlfläche (27) und Lochplatte (29) gebildeten Kühlraum (28) ab. DOLLAR A Bei einem solchen Bauteil bleibt eine optimierte Kühlwirkung auch bei größeren Temperaturänderungen weitgehend dadurch erhalten, dass die Lochplatte (29) mit quer zueinander verlaufenden Sicken (30, 31) versehen ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der thermischen Maschinen. Sie betrifft ein gekühltes Bauteil für eine thermische Maschine, insbesondere eine Gasturbine, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches Bauteil ist z. B. aus der Druckschrift US-A-5,480,281 oder der US-A- 5,391,052 oder der US-A-5,533,864 bekannt.

STAND DER TECHNIK

Prallkühlung ("impingement cooling") ist bei thermischen Maschinen, insbesondere bei der Kühlung der Schaufeln von Gasturbinen, eine sehr wirksame Kühlungsmethode, weil die meist senkrecht auf die Oberfläche der Schaufelinnenkontur treffende Kühlluft (als Kühlmedium) eine hohe Geschwindigkeit aufweist und daher die Wärmeabfuhr sehr intensiv ist. Diese Kühlluft muss anschliessend parallel zur Innenkontur der Schaufel abfliessen, wobei sie zusätzlich konvektiv kühlt. Diese quer zu den Prallkühlstrahlen strömende Kühlluft ("cross flow") kann die Prallkühlstrahlen erheblich stören, wie dies in den Fig. 1 und 2 veranschaulicht ist.

Fig. 1 und 2 zeigen in einer Schnittdarstellung (Fig. 1A und 2A) einen schematisierten Aufbau einer bekannten Anordnung zur Prallkühlung eines thermisch belasteten Bauteils, das ein Deckband, eine Fussplattform, ein Hitzeschild oder dgl. einer Gasturbine sein kann. Das gekühlte Bauteil 10 hat auf der gekühlten Seite eine Vertiefung, die von einer Kühlfläche 11 begrenzt ist und zusammen mit einer über der Vertiefung liegenden Lochplatte oder einem Lochblech 13 einen Kühlraum 12 bildet. Oberhalb der Lochplatte 13 ist eine Abdeckplatte 16 angeordnet, die zwischen sich und der Lochplatte 13 einen Verteilungsraum 15 bildet. In den Verteilungsraum 15 strömt durch eine nicht näher dargestellte Kühlmediumzufuhr 17, die in Fig. 1, 2 durch einen Pfeil symbolisiert ist, ein Kühlmedium, vorzugsweise Kühlluft, ein und verteilt sich in dem Verteilungsraum 15 über die Fläche der Lochplatte 13. In der Lochplatte 13 sind über die Fläche gleichmässig verteilt Löcher 14 angeordnet durch die das unter Druck stehende Kühlmedium in den darunter liegenden Kühlraum 12 in Form von einzelnen Kühlmediumstrahlen (Kühlluftstrahlen) ausströmt. Die Kühlmediumstrahlen 18 prallen in den unterhalb der Löcher 14 liegenden Aufprallbereichen 19 der Kühlfläche, die in Fig. 1 durch dick ausgezogene Striche markiert sind, praktisch senkrecht auf die Kühlfläche und nehmen dort Wärme auf.

Nach dem Aufprall strömt abströmendes Kühlmedium 20 parallel zur Kühlfläche 11 im Kühlraum 12 zu einem nicht dargestellten Auslass. Es sind dabei zwei Fälle zu unterscheiden, die in den Fig. 1 und 2 dargestellt sind und anhand der Fig. 1B und 2B, die eine Draufsicht auf die Kühlanordnung von oben zeigen, deutlich zu unterscheiden sind: Im einen Fall (Fig. 1A und B), der gleichzeitig den günstigsten Fall darstellt, strömt die Kühlluft (20) im "cross flow" zwischen den Kühlmediumstrahlen 18 ab, ohne durch Wechselwirkung mit den Kühlmediumstrahlen 18 grosse Verluste in der Kühlwirkung zu verursachen. Im anderen Fall (Fig. 2A und B), der den ungünstigsten Fall darstellt, kreuzt das abströmende Kühlmedium 20 die Kühlmediumstrahlen 18. Dabei werden durch Wechselwirkung der Strömungen miteinander grosse Verluste in der Kühlwirkung verursacht.

Zur Verringerung bzw. Vermeidung dieser Cross-Flow-Verluste sind in den eingangs genannten Druckschriften bereits verschiedene Vorschläge gemacht worden, um die Ströme des abströmenden Kühlmediums von den durch die Lochplatte erzeugten Kühlmediumstrahlen zu entkoppeln. Dies wird entweder dadurch erreicht, dass die Löcher der Lochplatte in ausgeformten Näpfen in der Lochplatte angeordnet sind (Fig. 1 der US-A-5,533,864), zwischen denen das abströmende Kühlmedium ungehindert strömen kann (siehe die Darstellung in Fig. 3A und B mit den napfförmigen Vertiefungen 21 und den dazwischen gebildeten Kanälen 22), oder dass dem abströmenden Kühlmedium eigenständig geformte Abströmkanäle zugeordnet werden (US-A-5,480,281) oder US-A-5,391,052).

Nicht berücksichtigt wird bei den bekannten Anordnungen jedoch, dass die Lochplatte sich, da sie an ihren Rändern in der Regel fest eingespannt ist, bei Temperaturänderungen durch entsprechende Ausdehnung bzw. entsprechendes Zusammenziehen in der Plattenebene wölbt und somit der Abstand zwischen der Ebene der Löcher und der Kühlfläche (s in Fig. 3A) variiert. Diese ungleichmässige und ungewollte Aenderung des Abstandes s führt zu Aenderungen im Strömungsbild, die Abweichungen von der optimalen Kühlwirkung nach sich ziehen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein mit Prallkühlung ausgestattetes Bauteil dahingehend zu verändern, dass die beschriebenen Nachteile bekannter Konfigurationen vermieden werden, und dass insbesondere die optimierte Kühlwirkung auch bei grösseren Temperaturänderungen weitgehend erhalten bleibt.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass zum Abbau der thermisch bedingten Spannungen in der Lochplatte quer zueinander verlaufende Sicken vorgesehen sind, welche die Spannungen auffangen, ohne dass sich der Abstand der Löcher der Lochplatte von der Kühlfläche ändert. Die Sicken können dabei als umlaufende Sicken am Rand der Lochplatte ausgebildet sein und zu einer beliebigen Seite aus der Plattenebene herausragen.

Es ergeben sich jedoch besondere Vorteile, wenn gemäss einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die Löcher in einer Ebene liegen, die Sicken aus dieser Ebene zur Seite des Verteilungsraumes herausragen, die Sicken zwischen den Löchern verlaufend und sich senkrecht kreuzend ein gleichmässiges Gitternetz bilden, in den Zwischenräumen des durch die Sicken gebildeten Gitternetzes jeweils eines der Löcher angeordnet ist, und die Sicken derart ausgeformt sind, dass sie Kanäle für das abströmende Kühlmedium bilden. Hierdurch werden durch eine konstruktive Massnahmen, nämlich die Sicken, gleichzeitig eine sehr gleichmässige Spannungsverteilung in der Lochplatte und eine starke Verringerung der Cross-Flow-Verluste erreicht.

Die einzelnen Kühlmediumstrahlen können dabei je nach den globalen oder lokalen Erfordernissen des Bauteils dadurch optimiert werden, dass die Löcher eine die Ausbildung der Kühlmediumstrahlen beeinflussende Randkontur aufweisen.

Bei Lochplatten mit grösserer Plattenfläche ist es von Vorteil, wenn in der Lochplatte zwischen den Sicken Distanzhalter ausgebildet sind, durch welche Distanzhalter die Lochplatte auf einem vorgegebene Abstand zur Kühlfläche gehalten wird.

Es kann aber auch von Vorteil sein, wenn Mittel vorgesehen sind, mittels derer der Abstand zwischen der Ebene der Löcher und der Kühlfläche (je nach Bedarf) verstellt werden kann. Insbesondere können die Verstellmittel so ausgebildet sein, dass eine Verstellung in Abhängigkeit von der im Bereich der Lochplatte herrschenden Temperatur selbsttätig vorgenommen wird. Eine mögliche Realisierung ist dadurch gegeben, dass die Verstellmittel im Randbereich der Lochplatte angeordnete Bimetalllagen umfassen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 im Schnitt (Fig. 1A) und in der Draufsicht von oben (Fig. 1B) erste mögliche Strömungsverhältnisse in einem mit Prallkühlung versehenen Bauteil nach dem Stand der Technik mit ebener Lochplatte;
Fig. 2 im Schnitt (Fig. 2A) und in der Draufsicht von oben (Fig. 2B) zweite mögliche Strömungsverhältnisse in einem mit Prallkühlung versehenen Bauteil nach dem Stand der Technik mit ebener Lochplatte;
Fig. 3 im Schnitt (Fig. 3A) und in der Draufsicht von oben (Fig. 3B) die Strömungsverhältnisse in einem mit Prallkühlung versehenen Bauteil nach dem Stand der Technik, bei welchem die Löcher der Lochplatte in napfförmigen Vertiefungen angeordnet sind;
Fig. 4 in einer perspektivischen Darstellung eine Lochplatte für die Prallkühlung mit einem Gitternetz aus Sicken gemäss einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 5 den Schnitt durch die Lochplatte aus Fig. 4 mit den auftretenden Kräften in der Plattenebene;
Fig. 6 in einer perspektivischen Darstellung eine Prallkühlanordnung mit einer von Sicken durchzogenen Lochplatte gemäss einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der die Sicken zugleich als Kanäle für das abströmende Kühlmedium ausgebildet sind;
Fig. 7 in mehreren Teilfiguren (a) bis (g) im Schnitt verschiedene Formen der Löcher in der Lochplatte zur Ausbildung unterschiedlicher Kühlmediumstrahlen;
Fig. 8 im Schnitt eine Lochplatte mit Distanzhalter gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 9 im Schnitt eine Lochplatte mit Bimetallrand zur selbsttätigen Veränderung des Abstandes s gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 4 ist in einer perspektivischen Darstellung eine Lochplatte für die Prallkühlung mit einem Gitternetz aus Sicken gemäss einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben. Die Lochplatte ("impingement plate") 23, die als Gussteil oder als tiefgezogenes Blechformteil ausgebildet sein kann, ist kreuz und quer von zueinander orthogonalen Sicken 25, 26 durchlaufen, die ein gleichmässiges Gitternetz bilden. Die Lochplatte 23 wird in derselben Weise zur Prallkühlung eines Bauelementes eingesetzt, wie dies für die Lochplatten 13 in den Fig. 1 bis 3 dargestellt ist. In den Zwischenräumen des Gitternetzes aus den Sicken 25, 26 ist jeweils ein Loch 24 vorgesehen, durch welches das Kühlmedium (die Kühlluft) nach unten strömt und als Kühlmediumstrahl auf die Kühlfläche des (in Fig. 4 nicht dargestellten) darunterliegenden Bauteils trifft. Es versteht sich von selbst, dass die Zwischenräume des Gitternetzwerkes auch grösser gewählt werden können, so dass in jedem Zwischenraum statt eines Loches mehrere Löcher nebeneinander angeordnet sind.
Die Lochplatte 23 kann aufgrund der sich kreuzenden Sicken 25, 26 flexibel in allen Richtungen die Differenzdehnung aus Temperaturunterschieden oder unterschiedlichen Materialien bei geringen Spannungen kompensieren; die auftretenden Spannungen liegend dabei - wie dies in Fig. 5 durch Pfeile angedeutet ist - in der Ebene der Lochplatte. Dadurch wird einerseits ein Durchbiegen der Lochplatte 23 verhindert. Andererseits werden Lötungen und/oder Schweissungen, die randseitig zur Befestigung der Lochplatte 23 dienen, nur noch minimal belastet, was zur Erhöhung der Lebensdauer des gekühlten Bauteils beiträgt. Die Sicken 25, 26 treten in Fig. 4, 5 entgegen der Strömungsrichtung aus der Plattenebene heraus. Es ist in diesem Fall aber auch denkbar, dass die Sicken zur anderen Plattenseite hin orientiert sind.
Ausgehend von dem Konzept der dehnungskompensierenden Sicken kann durch eine einfache Veränderung der Querschnittsform der Sicken auch das Problem der Cross-Flow-Verluste leicht und sicher gelöst werden. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 6 wiedergegeben. In dieser Figur ist die Anordnung einer entsprechenden Lochplatte 29 über der Kühlfläche 27 des zu kühlenden Bauteils gezeigt. Die Lochplatte 29 umfasst auch in diesem Fall ein Gitternetz aus kreuzweise angeordneten Sicken 30, 31. Im Unterschied zum Beispiel der Fig. 4 sind hier die Sicken 30, 31 tiefer und breiter ausgeformt, so dass sie eigenständige Kanäle 34 für das nach der Prallkühlung abströmende Kühlmedium 35 bilden. In den Zwischenräumen des Gitternetzes aus Sicken 30, 31 ist wiederum jeweils ein Loch 32 vorgesehen, durch welches das Kühlmedium nach unten in den Kühlraum 28 ausströmt und einen Kühlmediumstrahl 33 ausbildet. Da das abströmende Kühlmedium 35 weitgehend auf die Kanäle 34 in den Sicken 30, 31 beschränkt ist, wird eine verlustbringende Wechselwirkung mit den Kühlmediumstrahlen 33 weitgehend vermieden und beide Kühlarten (Prallkühlung und konvektive Kühlung) können sich ungestört entfalten.
Ein wichtiger Parameter für die Prallkühlung ist neben Anzahl, Grösse und Verteilung der Löcher in der Lochplatte der Abstand der Löcher zur Kühlfläche (s in Fig. 3A), sowie die über den Löchern entstehende Druckdifferenz. Die sich in den Löchern ausbildenden Kühlmediumstrahlen können aber auch auf andere Weise beeinflusst werden, nämlich durch die Konfiguration der Löcher selbst. Beispiele für derartige Konfigurationen sind in den Teilfiguren (a) bis (g) der Fig. 7 im Schnitt dargestellt, wobei wiederkehrende Elemente in unterschiedlichen Teilfiguren mit einem Bezugszeichen versehen sind. Fig. 7a zeigt eine Konfiguration eines Loches 14 in einer napfartigen Vertiefung 21 einer Lochplatte 13, wie sie bereits in Fig. 3A gezeigt worden ist. Die Wände des Loches 14 verlaufen hier senkrecht. Fig. 7b zeigt ein Loch mit sich konisch nach unten erweiterndem Querschnitt, durch den ein sich erweiternder Strahl erzeugt wird. Fig. 7c zeigt ein Loch mit gerundetem Wandprofil, durch das randseitige Wirbel verringert werden. Fig. 7d zeigt eine Vertiefung 21 mit abgerundeten Kanten zur Verringerung von Wirbelverlusten. Fig. 7e zeigt die Aufteilung eines Loches in einer gewölbten Vertiefung in mehrere kleine Löcher von denen divergierend einzelne Teilstrahlen ausgehen. Fig. 7f zeigt eine Vertiefung, die als sich im Querschnitt erweiternde Düse ausgebildet ist. Fig. 7g zeigt eine ähnliche Düse, die abweichend von der Senkrechten schräg ausgerichtet ist. Andere Formen der Strahlbildung sind im Rahmen dieser Ausgestaltung ebenfalls denkbar. Die Herstellung der in Fig. 7 gezeigten Konfigurationen kann durch Tiefziehen von Blech, Aufschweissen, Auflöten von Stutzen, Giessen, Laser-Pulverschweissen, Erodieren und andere bekannte Verfahren erfolgen. Wesentlich ist, dass die geometrische Ausbildung der Löcher den jeweiligen Erfordernissen der Prallkühlung angepasst wird. Diese geometrische Ausbildung der Löcher kann aber nicht nur bei Lochplatten mit den erfindungsgemässen Sicken eingesetzt werden, sondern generell bei Lochplatten der unterschiedlichsten Art.
Wenn die Lochplatten grössere Flächen überspannen, müssen aus Gründen der mechanischen Stabilität und zur Einhaltung des vorgegebenen Abstandes s zwischen den Löchern und der Kühlfläche Elemente vorgesehen werden, welche die Lochplatte stützen. Besonders einfach und günstig ist es, gemäss Fig. 8 an ausgewählten Stellen der Lochplatte 13 Distanzhalter 36 anzuordnen, die als tiefer gezogene Vertiefungen 21 ausgebildet sind. Derartige Distanzhalter 36 gewährleisten einen gleichbleibenden Abstand s zwischen der Kühlfläche 11 auf dem Bauteil 10 und den Löchern 14 der Lochplatte 13. Damit ist auch die Ausbildung der Kühlmediumstrahlen unter gleichbleibenden Bedingungen möglich.
Es kann andererseits aber auch von Vorteil sein, wenn der Bedarf an Kühlmedium bzw. Kühlung in Abhängigkeit von der Temperatur durch eine entsprechende Aenderung des Abstandes s geregelt wird. Eine sehr einfache Realisierung ist im Beispiel der Fig. 9 dargestellt. In diesem Beispiel ist der Rand der Lochplatte 13, mit dem die Lochplatte 13 auf der Umrandung des Kühlraumes 12 aufliegt, als Bimetall-Schichtfolge mit zwei übereinanderliegenden Bimetalllagen 37 und 38 ausgebildet. Aendert sich die Temperatur im Bereich der Lochplatte 13, führt dies zu einer veränderten Durchbiegung der Bimetall-Schichtfolge 37, 38 am Rand der Lochplatte 13 und die Lochplatte 13 hebt oder senkt sich relativ zur Kühlfläche 11 des Bauteils 10. Dadurch verändert sich der Abstand s und infolgedessen die Strömung des Kühlmediums durch die Löcher 14 in den Vertiefungen 21. Wird der Abstand s kleiner, wird der Durchfluss des Kühlmediums durch die Löcher 14 gedrosselt und die Kühlwirkung insgesamt reduziert. Vergrössert sich der Abstand s, hat dies die entgegengesetzte Wirkung. Anstelle der Bimetall-Schichtfolge kann auch eine entsprechend präparierte Gedächtnislegierung eingesetzt werden. Auch die oben beschriebene temperaturabhängige Regelung der Kühlleistung ist nicht auf die mit Sicken versehenen Lochplatten beschränkt, sondern kann bei Lochplatten beliebiger Art eingesetzt werden. BEZUGSZEICHENLISTE 10 Bauteil (gekühlt)
11, 27 Kühlfläche
12, 28 Kühlraum
13, 23, 29 Lochplatte (Lochblech)
14, 24, 32 Loch
15 Verteilungsraum
16 Abdeckplatte
17 Kühlmediumzufuhr
18, 33 Kühlmediumstrahl
19 Aufprallbereich (Kühlmediumstrahl)
20, 35 abströmendes Kühlmedium
21 Vertiefung
22, 34 Kanal
25, 26 Sicke
30, 31 Sicke
36 Distanzhalter
37, 38 Bimetalllage
s Abstand Lochebene-Kühlfläche

Claims

1. Gekühltes Bauteil (10) für eine thermische Maschine, insbesondere eine Gasturbine, bei welchem Bauteil (10) zur Prallkühlung ein Kühlmedium, insbesondere Kühlluft, aus einem Verteilungsraum (15) durch eine mit verteilt angeordneten Löchern (14, 24, 32) versehene und vor einer Kühlfläche (11, 27) des Bauteils (10) mit Abstand angeordnete Lochplatte (13, 23, 29) strömt, in Form von Kühlmediumstrahlen (18, 33) auf die Kühlfläche (11, 27) auftrifft und im wesentlichen parallel zur Kühlfläche (11, 27) im zwischen Kühlfläche (11, 27) und Lochplatte (13, 23, 29) gebildeten Kühlraum (12, 28) abströmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochplatte (13, 23, 29) mit quer zueinander verlaufenden Sicken (25, 26; 30, 31)versehen ist.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher (14, 24, 32) in einer Ebene liegen, und dass die Sicken (25, 26; 30, 31) aus dieser Ebene zur Seite des Verteilungsraumes (15) herausragen.

3. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicken (25, 26; 30, 31) zwischen den Löchern (14, 24, 32) verlaufend und sich senkrecht kreuzend ein gleichmässiges Gitternetz bilden.

4. Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den Zwischenräumen des durch die Sicken (25, 26; 30, 31) gebildeten Gitternetzes jeweils eines der Löcher (14, 24, 32) angeordnet ist.

5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicken (30, 31) derart ausgeformt sind, dass sie Kanäle (34) für das abströmende Kühlmedium (35) bilden.

6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher (14) eine die Ausbildung der Kühlmediumstrahlen (18, 33) beeinflussende Randkontur aufweisen.

7. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Lochplatte (13, 23, 29) zwischen den Sicken (25, 26; 30, 31) Distanzhalter (36) ausgebildet sind, durch welche Distanzhalter(36) die Lochplatte (13, 23, 29) auf einem vorgegebene Abstand zur Kühlfläche (11, 27) gehalten wird.

8. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (37, 38) vorgesehen sind, mittels derer der Abstand (s) zwischen der Ebene der Löcher (14, 24, 32) und der Kühlfläche verstellt werden kann.

9. Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellmittel (37, 38) so ausgebildet sind, dass eine Verstellung in Abhängigkeit von der im Bereich der Lochplatte (13, 23, 29) herrschenden Temperatur selbsttätig vorgenommen wird.

10. Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellmittel im Randbereich der Lochplatte (13, 23, 29) angeordnete Bimetalllagen (37, 38) umfassen.