DE60031185T2

DE60031185T2 - Methode zur Kühlung einer Wand einer Strömungsmaschinenschaufel

Info

Publication number: DE60031185T2
Application number: DE60031185T
Authority: DE
Inventors: Thomas A. Palm Beach Gardens Auxier; James P. Jupiter Downs; William H. Akworth Calhoun; William S. Simpsonville Kvasnak; Friedrich O. Tequesta Soechting; Douglas A. Port St. Lucie Hayes
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1999-06-23
Filing date: 2000-06-23
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2020-06-24
Also published as: EP1602800A1; DE60025074D1; EP1063388B1; DE60025074T2; DE60041366D1; US6247896B1; EP1063388A2; EP1063388A3; EP1607575A1; EP1602800B1; DE60031185D1; JP2001020703A; EP1607575B1

Description

Diese Erfindung betrifft generell Gasturbinenmaschinen und Verfahren und Vorrichtungen zum Kühlen einer Rotorlaufschaufel oder einer Statorleitschaufel im Speziellen.
Effizienz ist ein Hauptaugenmerk bei der Konstruktion sämtlicher Gasturbinenmaschinen. Historisch ist eine der Hauptmethoden zum Erhöhen der Effizienz das Erhöhen der Gaswegtemperaturen in der Maschine. Die erhöhten Temperaturen wurden durch die Verwendung intern gekühlter Bauteile bewältigt, die aus Legierungen mit Hochtemperatureignung hergestellt wurden. Beispielsweise werden Turbinen-Statorleitschaufeln und -Laufschaufeln typischerweise unter Verwendung von Verdichterluft gekühlt, an der Arbeit verrichtet wurde, um sie auf einen höheren Druck zu bringen, die jedoch weiterhin bei einer niedrigeren Temperatur ist als die der an der Leitschaufel oder Laufschaufel vorbei strömenden Kerngasströmung. Der höhere Druck liefert die erforderliche Energie, um die Luft durch das Bauteil zu drücken. Ein signifikanter Prozentsatz der an der von dem Verdichter abgezapften Luft verrichteten Arbeit, geht jedoch während des Kühlprozesses verloren. Die verlorene Arbeit trägt nicht zu dem Schub der Maschine bei und beeinflusst deshalb negativ die Gesamteffizienz der Maschine. Ein Fachmann wird deshalb erkennen, dass es ein Spannungsverhältnis zwischen der aus den höheren Kerngaswegtemperaturen erzielten Effizienz und dem gleichzeitigen Bedürfnis nach dem Kühlen der Turbinenbauteile und dem Effizienzverlust für das Abzapfen von Luft zum Durchführen dieser Kühlung gibt.
Deshalb liegt ein großer Wert im Maximieren der Kühleffizienz unabhängig davon, welche Kühlluft verwendet wird. Kühlbare Strömungsprofile des Stands der Technik weisen typischerweise eine Mehrzahl von internen Hohlräumen auf, die mit Kühlluft versorgt werden. Die Kühlluft tritt durch die Wand des Strömungsprofils (oder die Plattform) hindurch und überträgt Wärmeenergie weg von dem Strömungsprofil in dem Prozess. Die Art, auf die die Kühlluft durch die Strömungsprofilwand strömt, ist kritisch für die Effizienz des Prozesses. In manchen Fällen wird die Kühlluft durch gerade oder aufgeweitete Kühlöffnungen geleitet, um die Wand konvektiv zu kühlen und einen äußeren Film von Kühlluft zu etablieren, z.B. EP 4 302 940 beschreibt eine Transpirationsluft-gekühlte Brennkammerwand mit gekrümmten Kühlnuten/Passagen, die mit Einlässen und Auslässen kommunizieren und einander auch schneiden, um zwischen den Nuten zur Verbindung mit den Einlässen und den Auslässen Überkreuzungspassagen zu schaffen. Typischerweise benötigt man einen minimalen Druckabfall über Kühlpassagen dieses Typs, um die Menge an Kühlluft zu minimieren, die sofort an die frei strömende heiße Kerngasluft verloren geht, welche an dem Strömungsprofil vorbei strömt. Der minimale Druckabfall wird typischerweise durch eine Mehrzahl von Hohlräumen in dem Strömungsprofil erzeugt, die durch eine Mehrzahl von Zumessöffnungen verbunden sind. Ein zu geringer Druckabfall über die Strömungsprofilwand kann zu einem unerwünschten Einströmen von heißem Kerngas führen. In allen Fällen macht die minimale Verweilzeit in der Kühlöffnung sowie die Größe der Kühlöffnung diese Art von Konvektivkühlung relativ ineffizient.
Manche Strömungsprofile sind konvektiv gekühlt, indem man Kühlluft durch Passagen strömen lässt, die in einer Wand oder Plattform angeordnet sind. Typischerweise erstrecken sich diese Passagen über eine signifikante Strecke in der Wand oder der Plattform. Es gibt einige potenzielle Probleme bei dieser Art von Kühlverfahren. Zum Einen nimmt die Wärmeübertragsrate zwischen den Passagenwänden und der Kühlluft merklich als eine Funktion der in der Passagen zurückgelegten Strecke ab. Im Ergebnis kann es sein, dass die Kühlluftströmung, welche adäquat den Beginn der Passage kühlt, das Ende der Passage nicht adäquat kühlt. Wenn die Kühlluftströmung erhöht wird, um an dem Ende der Passage eine adäquate Kühlung bereitzustellen, wird der Beginn der Passage möglicherweise übermäßig gekühlt und folglich Kühlluft verschwendet. Zweitens ist das Wärmeprofil eines Strömungsprofils typischerweise ungleichförmig und weist Bereiche auf, die einer größeren oder einer geringeren Wärmebelastung ausgesetzt sind. Die internen Kühlpassagen des Stands der Technik, die sich über eine signifikante Strecke in einer Strömungsprofilwand oder einer Plattform erstrecken, überspannen typischerweise einen oder mehrere Bereiche mit ungleichen Wärmebelastungen. Ähnlich der vorangehend beschriebenen Situation kann das Bereitstellen einer Kühlströmung, die für das Kühlen des Bereichs der größten Wärmebelastung adäquat ist, dazu führen, dass andere Bereiche entlang der der Passage übermäßig gekühlt werden.
Benötigt wird deshalb ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen eines Substrats in einer Gasturbinenmaschine, welches bzw. welche das Substrat unter Verwendung einer minimalen Menge an Kühlluft adäquat kühlt und Wärmeübertrag dort liefert, wo er benötigt wird.
Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen einer Wand in einer Gasturbinenmaschine bereitzustellen, das bzw. die weniger Kühlluft verwendet als konventionelle Kühlverfahren bzw. -vorrichtungen.
Es ist ein weiteres Ziel, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen einer Wand in einer Gasturbinenmaschine bereitzustellen, welches bzw. welche mehr Kühlpotenzial der durch die Wand geleiteten Kühlluft entnimmt als bei konventionellen Kühlverfahren bzw. -vorrichtungen entnommen wird.
Es ist ein weiteres Ziel, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen einer Wand in einer Gasturbinenmaschine bereitzustellen, welches bzw. welche in der Lage ist, ein Kühlprofil zu schaffen, welches an das Wärmeprofil der Wand im Wesentlichen angepasst ist, mit anderen Worten ein Kühlverfahren und eine Kühlvorrichtung, die abgestimmt werden können, um das vorliegende Temperaturprofil auszugleichen und so übermäßige Kühlung zu verringern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen einer Wand in einer Gasturbinenmaschine bereitgestellt, aufweisend die folgenden Schritte: (1) Bereitstellen einer Wand mit einer Innenoberfläche und einer Außenoberfläche; (2) Bereitstellen eines Kühl-Mikrokreises in der Wand, der eine Passage für Kühlluft hat, die sich zwischen der Innenoberfläche und der Außenoberfläche erstreckt; und (3) Erhöhen des Wärmeübertrags von der Wand auf eine Fluidströmung in der Passage durch Erhöhen des durchschnittlichen Wärmeübertragskoeffizienten pro Einheitsströmung in dem Mikrokreis.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen einer Wand bereitgestellt, die darauf abgestimmt werden können, zu dem Wärmeprofil der vorliegenden Wand im Wesentlichen zu passen. Insbesondere können die Mikrokreise der vorliegenden Erfindung maßgeschneidert werden, um eine spezielle Menge an Kühlluft an einer speziellen Stelle in einer Wand bereitzustellen, die zu der Wärmebelastung an dieser speziellen Stelle passt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kühl-Mikrokreis zum Kühlen in einer Wand bereitgestellt, der eine Mehrzahl von Passagensegmenten aufweist, die durch Kehren verbunden sind. Die kurze Länge eines jeden Passagensegments liefert einen höheren durchschnittlichen Wärmeübertragskoeffizienten pro Einheitsströmung als er beim Stand der Technik unter ähnlichen Betriebsbedingungen (z.B. Druck, Temperatur etc.) verfügbar ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kühlmikrokreis in einer Wand vorgesehen, der eine Mehrzahl von Passagensegmenten aufweist, die in Serie durch eine Mehrzahl von Kehren verbunden sind. Jedes sukzessive Passagensegment hat eine verringerte Länge.
Die Kühl-Mikrokreise der vorliegenden Erfindung schaffen eine signifikant erhöhte Kühleffizienz gegenüber den Kühlverfahren des Stands der Technik. Einer der Wege, auf dem der Mikrokreis der vorliegenden Erfindung eine erhöhte Kühleffizienz liefert, ist das Erhöhen des Wärmeübertragskoeffizienten pro Einheitsströmung in einer Kühlpassage. Der Übertrag von Wärmeenergie zwischen der Passagenwand und der Kühlluft steht in direkter Beziehung zu dem Wärmeübertragskoeffizienten in der Passage für eine vorgegebene Strömung. Ein Geschwindigkeitsprofil der jeder Wand einer Passage benachbarten Fluidströmung ist gekennzeichnet durch einen anfänglichen hydrodynamischen Eintrittsbereich und einen anschließenden voll entwickelten Bereich, wie man in 6 erkennen kann. In dem Eintrittsbereich entwickelt sich eine Fluidströmungsgrenzschicht den Passagenwänden benachbart, die mit einer Dicke von 0 an dem Passageneintritt beginnt und schließlich an einer Position strömungsabwärts in der Passage zu einer konstanten Dicke wird. Die Änderung zu der konstanten Dicke markiert den Beginn des vollständig entwickelten Strömungsbereichs. Der Wärmeübertragskoeffizient ist maximal, wenn die Grenzschichtdicke gleich 0 ist, fällt mit der Zunahme der Grenzschichtdicke ab und wird konstant, wenn die Grenzschicht konstant wird. Deshalb ist für eine vorgegebene Strömung der durchschnittliche Wärmeübertragskoeffizient in dem Eintrittsbereich höher als der Wärmeübertragskoeffizient in dem voll entwickelten Bereich. Die Mikrokreise der vorliegenden Erfindung erhöhen den Prozentsatz an Strömung in einer Passage, die durch Eintrittsbe reichseffekte gekennzeichnet ist, indem sie eine Mehrzahl von kurzen Passagensegmenten bereitstellen, die durch Kehren verbunden sind. Jedes Mal, wenn das Fluid in der Passage auf eine Kehre trifft, ist das Geschwindigkeitsprofil der aus dieser Kehre kommenden Fluidströmung durch Eintrittsbereichseffekte und folglich lokal erhöhten Wärmeübertragskoeffizienten gekennzeichnet. Der durchschnittliche Wärmeübertragskoeffizient pro Einheitsströmung der relativ kurzen Passagensegmente der Mikrokreise der vorliegenden Erfindung ist folglich höher als er bei allen ähnlichen Kühlverfahren des Stands der Technik verfügbar ist, die wir kennen.
Ein zweiter Weg, auf dem die Mikrokreise der vorliegenden Erfindung den durchschnittlichen Wärmeübertragskoeffizienten pro Einheitsströmung erhöhen, ist das Verringern der Querschnittsfläche der Passage und das Erhöhen des Durchmessers der Passage. Wenn die folgende bekannte Gleichung verwendet wird, um den Wärmeübertragskoeffizienten darzustellen:
(wobei k = Wärmeleitfähigkeit der Luft, D_H = hydraulischer Durchmesser, ρ = Dichte, U = Geschwindigkeit, μ = Viskosität und P_R = Prandtl'sche Zahl gilt)
kann die folgende Gleichung hergeleitet werden, welche die Relation zwischen dem Wärmeübertragskoeffizienten (h_c), dem Passagenumfang (P), und der Querschnittsfläche (A) der Passage illustriert (wobei C = eine Konstante und W = Fluidströmung gilt):
Nämlich, dass eine Zunahme der Querschnittsfläche der Passage den Wärmeübertragskoeffizienten verringert und dass eine Zunahme des Umfangs der Passage den Wärmeübertragskoeffizienten erhöht. Die Mikrokreise der vorliegenden Erfindung verwenden Passagen mit einer kleineren Querschnittsfläche und einem größeren Umfang, verglichen mit konventionellen Kühlverfahren, die wir kennen.
Die sich ergebende Kühlpassage hat einen größeren Wärmeübertragskoeffizienten pro Einheitsströmung und folglich eine größere Wärmeübertragsrate.
Ein weiterer Weg, auf dem die vorliegende Erfindung eine verbesserte Kühleffizienz liefert, beinhaltet das Verwenden eines Passagensegments kurzer Länge zwischen Kehren. Die Relation zwischen der Wärmeübertragsrate und dem Wärmeübertragskoeffizienten bei vorgegebener Passagenlänge kann mathematisch folgenderweise beschrieben werden: q = hcAsΔTlm (Gl. 3)wobei gilt:

q: = Wärmeübertragsrate zwischen der Passage und dem Fluid
h_c: = Wärmeübertragskoeffizient der Passage
A_s: = Passagenoberfläche = P × L = Passagenumfang × Passagenlänge
ΔT_lm: = Log der mittleren Temperaturdifferenz

Die obige Gleichung illustriert die direkte Relation zwischen der Wärmeübertragsrate und dem Wärmeübertragskoeffizienten sowie die Relation zwischen der Wärmeübertragsrate und der Temperaturdifferenz zwischen der Passagenoberflächentemperatur und der Einlasstemperatur und der Auslasstemperatur des durch eine Passagenlänge strömenden Fluids (i.e. ΔT_lm). Insbesondere nimmt, wenn die Passagenoberflächentemperatur konstant gehalten wird (eine vernünftige Annahme für eine vorgegebene Passagenlänge beispielsweise in einem Strömungsprofil), die Temperaturdifferenz zwischen der Passagenoberfläche und dem Fluid exponenziell als eine Funktion der durch die Passage zurückgelegten Strecke ab. Der sich ergebende exponenzielle Abfall der Wärmeübertragsrate ist insbesondere in dem voll entwickelten Bereich signifikant, wo der Wärmeübertragskoeffizient konstant ist und die Wärmeübertragsrate von der Temperaturdifferenz abhängt. Die Mikrokreise der vorliegenden Erfindung verwenden Passagensegmente relativ kurzer Länge, die zwischen Kehren angeordnet sind. Wie vorangehend ausgeführt, ist ein Teil eines jeden Segments durch ein Eintrittsbereichsgeschwindigkeitsprofil gekennzeichnet, und der Rest ist durch ein voll entwickeltes Geschwindigkeitsprofil gekennzeichnet. Bei allen Ausführungsformen der Mikrokreise der vorliegenden Erfindung ist die Passagensegmentlänge zwi schen Kehren kurz, um den der Temperaturdifferenz insbesondere im voll entwickelten Bereich zuweisbaren Effekt der exponenziell abfallenden Wärmeübertragsrate zu minimieren.
Bei manchen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist der Mikrokreis eine Anzahl von Passagensegmenten auf, die sukzessive eine kürzere Länge haben. Das längste der sukzessiv kürzeren Passagensegmente ist dem Einlass des Mikrokreises benachbart positioniert, wo die Temperaturdifferenz zwischen der Fluidtemperatur und der Passagenwand am größten ist, und das kürzeste der sukzessive kürzeren Passagensegmente ist dem Austritt des Mikrokreises benachbart, wo die Temperaturdifferenz zwischen der Fluidtemperatur und der Passagenwand am kleinsten ist. Das sukzessive Verringern der Länge der Passagensegmente in dem Mikrokreis trägt dazu bei, die Abnahme bei ΔT_lm in jeder sukzessiven Passage auszugleichen. Zu Zwecken der Erklärung betrachte man eine Mehrzahl von Passagensegmenten gleicher Länge, die miteinander in Serie verbunden sind. Das durchschnittliche ΔT_lm eines jeden sukzessiven Passagensegments nimmt ab, weil die Temperatur der Kühlluft zunimmt, wenn sie durch jedes Passagensegment strömt. Die durchschnittliche Wärmeübertragsrate, die direkt mit ΔT_lm in Beziehung steht, nimmt folglich in jedem sukzessiven Passagensegment ab. Die Temperatur von einer sich durch eine Mehrzahl von sukzessive kürzeren Passagensegmenten bewegenden Kühlluft nimmt bei der Passage durch die sukzessiven Passagensegmente ebenfalls zu. Die Größe, um die ΔT_lm pro Passagensegment zunimmt, ist jedoch bei sukzessive kürzeren Passagensegmenten (verglichen mit Segmenten gleicher Länge) kleiner, weil die Länge des Passagensegments, in dem es zu dem exponenziellen Temperaturabfall kommt, kürzer ist. Deshalb beeinflusst die abnehmende Länge der Passagensegmente positiv die Wärmeübertragsrate durch Verringern des Einflusses der exponenziell abfallenden Temperaturdifferenz.
Die Wärmeübertragsrate kann auch durch Manipulieren des durchschnittlichen Wärmeübertragskoeffizienten pro Länge eines jeden Passagensegments positiv beeinflusst werden. Man bedenke, dass der durchschnittliche Wärmeübertragskoeffizient in jedem Eintrittsbereich immer größer ist als der Wärmeübertragskoeffizient in dem strömungsabwärtigen voll entwickelten Bereich. Man betrachte ferner, dass jedes Verfahren, welches positiv den durchschnittlichen Wärmeübertragskoeffizienten in einem Passagensegment beeinflusst, auch die Wärmeüber tragsrate in diesem Passagensegment positiv beeinflusst. Die Ausführungsform des vorliegenden Mikrokreises mit progressiv zunehmender Passagenlänge beeinflusst positiv den durchschnittlichen Wärmeübertragskoeffizienten, indem ein größerer Teil eines jeden progressiv kürzeren Passagensegments den Eintrittsbereichseffekten und den damit einhergehenden höheren durchschnittlichen Wärmeübertragskoeffizienten zugewiesen ist. Der positiv beeinflusste Wärmeübertragskoeffizient in jedem progressiv kürzeren Passagensegment gleicht das Abnehmen von ΔT_lm aus (trotz eines kleineren ΔT_lm wegen der sukzessive kürzeren Passagensegmentlängen) und beeinflusst dadurch positiv die Kühleffizienz des Passagensegments.
Ein weiterer Weg, auf dem der Mikrokreis der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Kühleffizienz schafft, ist das Verwenden der Druckdifferenz über die Wand auf eine Weise, welche den Wärmeübertrag in dem Mikrokreis optimiert. Konvektiver Wärmeübertrag ist eine Funktion der Reynoldschen Zahl und deshalb der Machzahl der Kühlluftströmung, die sich in dem Mikrokreis bewegt. Die Machzahl wiederum ist eine Funktion der Kühlluftströmungsgeschwindigkeit in dem Mikrokreis. Die Druckdifferenz über dem Mikrokreis kann beispielsweise durch Ändern der Anzahl von Passagen und Kehren in dem Mikrokreis eingestellt werden. Bei allen Anwendungen sind die Mikrokreise der vorliegenden Erfindung optimiert, um im Wesentlichen den gesamten Druckabfall über den Mikrokreis zu nutzen, da dieser Druckabfall die erforderliche Energie liefert, um das Kühlpotenzial von der Kühlluft zu holen. Insbesondere beginnt das Verfahren zum Optimieren des Wärmeübertrags mittels der Druckdifferenz über dem Mikrokreis mit einer vorgegebenen Druckdifferenz über die Wand, einer gewünschten Druckdifferenz über die Austrittsöffnung des Mikrokreises und einem bekannten Kerngasdruck benachbart der Mikrokreisaustrittsöffnung (d.h. dem örtlichen Außendruck). Bei bekanntem örtlichen Außendruck und der gewünschten Druckdifferenz über die Austrittsöffnung kann der Druck der Kühlluft in dem Mikrokreis der Austrittsöffnung benachbart bestimmt werden. Als Nächstes wird eine Druckdifferenz über den Mikrokreis gewählt, die einen optimalen Wärmeübertrag für eine vorgegebene Passagengeometrie, Kühlluftmassenströmung und Luftströmungsgeschwindigkeit liefert, die wahrscheinlich alle von der vorliegenden Anwendung abhängen. Wie vorangehend ausgeführt, kann die Druckdifferenz über dem Mikrokreis durch Ändern der Anzahl und Eigenschaften der Passagen und Kehren eingestellt werden. Bei bekannter gewünschter Druckdifferenz über dem Mikrokreis wird die Einlassöffnung bemessen, um den erforderlichen Druck in dem Mikrokreis der Einlassöffnung benachbart zu liefern, um die gewünschte Druckdifferenz über dem Mikrokreis zu schaffen.
Die kleine Größe des vorliegenden Mikrokreises liefert auch Vorteile gegenüber vielen Kühlverfahren des Stands der Technik. Das Wärmeprofil der meisten Laufschaufeln oder Leitschaufeln ist typischerweise nicht gleichförmig entlang deren Erstreckung und/oder Breite. Wenn das Wärmeprofil jedoch auf eine Mehrzahl von Bereichen verringert wird, und wenn die Bereiche klein genug sind, kann jeder Bereich so betrachtet werden, als hätte er einen gleichförmigen Wärmefluss. Das nicht-gleichförmige Profil kann deshalb als eine Mehrzahl von Bereichen beschrieben werden, von denen jeder einen gleichförmigen Wärmefluss, wenngleich verschieden in der Größe, hat. Die Größe eines jeden Mikrokreises der vorliegenden Erfindung ist wahrscheinlich klein genug, so dass er einen dieser gleichförmigen Bereiche besetzen kann. Folglich kann der Mikrokreis "abgestimmt" werden, um die Menge an Kühlung zu liefern, die erforderlich ist, um den Wärmefluss in diesem speziellen Bereich auszugleichen. Eine Laufschaufel oder eine Leitschaufel mit einem nicht-gleichförmigen Wärmeprofil kann mit der vorliegenden Erfindung effizient gekühlt werden, indem an jeder Wärmebelastungsstelle ein Mikrokreis positioniert wird und die Kühlkapazität des Mikrokreises auf die örtliche Wärmebelastung angepasst wird. Deshalb wird übermäßiges Kühlen verringert, und die Kühleffizienz ist erhöht.
Die Größe der Mikrokreise der vorliegenden Erfindung schafft auch eine Kühlpassagen-Unterteilung. Manche konventionelle Kühlpassagen weisen ein langes Passagenvolumen auf, welches mit der Kerngasseite des Substrats durch eine Mehrzahl von Austrittsöffnungen verbunden ist. Falls ein Abschnitt der Passage durchbrennt, wird möglicherweise ein signifikanter Teil der Passage heißer, durch die Mehrzahl von Öffnungen einströmender Kerngasströmung ausgesetzt. Die vorliegenden Mikrokreise limitieren die Möglichkeit des Einströmens von heißem Kerngas, indem vorzugsweise lediglich eine Austrittsöffnung verwendet wird. Falls es zu einem Einströmen von heißem Kerngas kommt, ist die Fläche der vorliegenden Mikrokreise beschränkt und folglich die Fläche beschränkt, die potenziell unerwünschtem heißen Gas ausgesetzt ist.
Die vorliegende Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
1 ist eine schematische Ansicht einer Gasturbinenmaschine.
2 ist eine schematische Ansicht einer Rotorlaufschaufel mit einer Mehrzahl von in einer Wand angeordneten Mikrokreisen der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine vergrößerte schematische Ansicht eines Mikrokreises einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine schematische Ansicht im großen Maßstab eines Mikrokreises einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit sukzessiven Passagensegmenten, deren Länge abnimmt.
5 ist eine schematische Ansicht im großen Maßstab eines Mikrokreises einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der spiralförmig nach innen geht und Passagensegmente hat, deren Länge abnimmt.
6 ist einem Auftrag eines Fluidströmungsgeschwindigkeitsprofils, der ein Geschwindigkeitsprofil mit einem Eintrittsbereich zeigt, dem ein voll entwickelter Bereich folgt.
Es wird auf die 1 und 2 Bezug genommen. Das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zum Kühlen beinhaltet die Verwendung von Kühl-Mikrokreisen 10, die in einer Wand 12 angeordnet sind, die in einer Gasturbinenmaschine 11 heißem Kerngas ausgesetzt ist. Kühlluft ist typischerweise an einer Seite der Wand 12 angeordnet, und heißes Kerngas ist an der entgegengesetzten Seite der Wand 12 angeordnet. Beispiele eines Elements, welches einen oder mehrere Mikrokreise 10 der vorliegenden Erfindung nutzen kann, die in einer Wand 12 angeordnet sind, beinhalten Brennkammereinrichtungen und Brennkammerauskleidungen 14, äußere Laufschaufelluftdichtungen 16, Turbinenauslassauskleidungen 18, Schubverstärkerauskleidungen 19 und Düsen 20, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Eine bevorzugte Anwendung für die Mikrokreise 10 der vorliegenden Erfindung ist in der Wand einer Turbinenstatorleitschaufel oder einer Rotorlaufschaufel. 2 zeigt die Mikrokreise 10, angeordnet in der Wand 12 einer Turbinenrotorlaufschaufel 21. Es wird auf die 3 bis 5 Bezug genommen. Jeder Mikrokreis 10 weist eine Passage 22 auf, die aus einer Mehrzahl von durch Kehren 26 verbundenen Segmenten 24 besteht. Bei allen Ausführungsformen verbindet eine Einlassöffnung 28 ein Ende des ersten Passagensegments 30 mit der Kühlluft und eine Austrittsöffnung 32 verbindet ein Ende des letzten Passagensegments 34 mit dem Äußeren der Wand 12. Bei den meisten Anwendungen ist die Passage 22 eben, d.h. mit einem im Wesentlichen gleichen Abstand von der inneren und der äußeren Oberfläche der Wand 12 beabstandet.
Die Ausführungsformen des Kühl-Mikrokreises 10 können eine Wandoberfläche besetzen, die bis zu 0,1 square inch (64,5 mm²) groß ist. Es ist jedoch üblicher, dass ein Mikrokreis 10 eine Wandoberfläche besetzt, die kleiner als 0,06 square inch (38,7 mm²) ist und die Wandoberfläche bevorzugter Ausführungsformen besetzt typischerweise eine Wandoberfläche, die näher bei 0,01 square inch (6,45 mm²) ist. Die Passagengröße variiert abhängig von der Anwendung, jedoch ist bei den meisten Ausführungsformen die Querschnittsfläche des Passagensegments kleiner als 0,001 square inch (0,6 mm²). Die am meisten bevorzugten Ausführungsformen der Passage 22 haben eine Querschnittsfläche von zwischen 0,0001 und 0,0006 square inch (0,064 mm² und 0,403 mm²) bei einer im Wesentlichen rechteckigen Gestalt. Der größere Umfang einer im Wesentlichen rechteckigen Gestalt schafft ein vorteilhaftes Kühlen. Zu Zwecken dieser Beschreibung soll die Querschnittsfläche der Passage 22 definiert sein als ein entlang einer Ebene rechtwinklig zur Richtung der Kühlluftströmung durch die Passage 22 genommener Schnitt.
In allen Ausführungsformen ist die Länge eines jeden Passagensegments 24 limitiert, um den durchschnittlichen Wärmeübertragskoeffizienten pro Einheitsströmung in dem Segment 24 zu erhöhen. Ein spezielles Passagensegment 24 in einem Mikrokreis 10 kann ein Verhältnis von Länge zu hydraulischem Durchmesser (L/D) etwa bis zu 20 haben. Ein typisches Passagensegment 24 bei den meisten vorkommenden Mikrokreisen hat jedoch ein L/D-Verhältnis von zwischen etwa 10 und etwa 6, und das am meisten bevorzugte L/D für das längste Passagensegment 24 ist 7. Wie nachfolgend detailliert beschrieben wird, kann die Länge der Passagensegmente 24 in jeder speziellen Ausführungsform eines Mikrokreises 10 variieren, einschließlich von Ausführungsformen, bei denen die Segmentlängen sukzessive kürzer werden. Die Gesamtlänge der Passage 22 hängt von der Anwendung ab. Anwendungen, bei denen der Druckabfall über die Wand 12 größer ist, können typischerweise eine größere Länge der Passage 22 vertragen, d.h. eine größere Anzahl von Passagensegmenten 24 und Kehren 26.
Bei typischen Betriebsbedingungen in dem Turbinenabschnitt eines Gasturbinentriebwerks 11 ist die Kühlluft-Machzahl in einer Mikrokreis-Passage 22 wahrscheinlich in der Nähe von 0,3. Mit einer Machzahl in diesem Bereich erstreckt sich der Eintrittsbereich in einem typischen Passagensegment 24 eines Mikrokreises 10 wahrscheinlich über einen Bereich von irgendwo zwischen 5 und 50 Durchmessern (Durchmesser = der hydraulische Durchmesser der Passage). Offensichtlich diktiert die Länge des Passagensegments 24, welcher Prozentsatz der Segmentlänge durch Eintrittsbereich-Geschwindigkeitsprofileffekte gekennzeichnet ist, d.h. sukzessive kürzere Passagensegmente 24 haben einen größeren Prozentsatz der jeweiligen Segmentlänge, der durch Eintritts-Geschwindigkeitsprofileffekte gekennzeichnet ist. Minimal werden jedoch Passagensegmente 24 in dem vorliegenden Mikrokreis mindestens 50% von deren Länge Eintrittsbereichseffekten zugewiesen sein und typischerweise mindestens 80%. Die folgenden Ausführungsformen sind als Beispiele von Mikrokreisen der vorliegenden Erfindung offeriert. Die vorliegende Erfindung beinhaltet die nachfolgend beschriebenen Beispiele, ist jedoch nicht auf diese beschränkt.
3 zeigt eine Ausführungsform eines Mikrokreises 10 der vorliegenden Erfindung, die eine Anzahl "n" von Passagensegmenten 24 gleicher Länge aufweist, die durch eine Anzahl von "n – 1" von Kehren 26 in einer Konfiguration verbunden sind, die hin und her geht, wobei "n" eine ganze Zahl ist. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Mikrokreises 10 der vorliegenden Erfindung, die eine Anzahl von "n" von Passagensegmenten 24 aufweist, die durch "n – 1" Kehren 26 in einer Konfiguration verbunden sind, die hin und her geht. Jedes sukzessives Passagensegment 24 hat eine kürzere Länge als das Segment 24 zuvor. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Mikrokreises 10, der eine Anzahl von "n" Passagensegmenten 24 aufweist, die durch "n – 1" Kehren 26 in einer Konfiguration verbunden sind, die spiralförmig nach innen geht. Eine Anzahl der Passagensegmente 24 in dieser Ausführungsform hat gleiche Länge, und die verbleibenden Passagensegmente 24 sind sukzessive kürzer.
Für einen vorgegebenen Satz von Betriebsbedingungen wird jede der vorangehend beschriebenen Ausführungsformen des Mikrokreises 10 eine spezielle Wärmeübertragsleistung liefern. Es kann deshalb vorteilhaft sein, mehr als einen Typ von Mikrokreisen 10 der vorliegenden Erfindung bei den Anwendungen zu verwenden, bei denen das Wärmeprofil der zu kühlenden Wand nicht gleichförmig ist. Die Mikrokreise 10 können verteilt sein, dass sie an das nicht-gleichförmige Wärmeprofil der Wand 12 passen und dieses ausgleichen und so die Kühleffizienz der Wand 10 verbessern.

Claims

Strömungsprofil (21) zur Verwendung in einer Gasturbinenmaschine, wobei das Strömungsprofil (21) durch Kühlluft kühlbar ist und bei Betriebsbedingungen in der Gasturbinenmaschine arbeitsfähig ist, wobei das kühlbare Strömungsprofil aufweist: einen internen Hohlraum; eine Außenwand (12); mindestens eine Kühlluftpassage (22), die in der Außenwand (12) angeordnet ist, wobei die Passage 22 eine Mehrzahl von Segmenten (27) aufweist, die in Serie durch mindestens eine Kehre (26) verbunden sind, wobei mindestens eines der Passagensegmente (24) eine Einlaßöffnung (28) aufweist, welche die Passage (22) mit den internen Hohlraum verbindet, und ein weiteres der Passagensegmente (24) eine Austrittsöffnung (32) aufweist, welche die Passage (22) mit einem Bereich außerhalb des Strömungsprofils (21) verbindet; und dadurch gekennzeichnet, dass jedes Passagensegment (24) eine Länge hat und wobei die Länge derart limitiert ist, dass mindestens 50% der Länge einem Kühlluftgeschwindigkeitsprofil unterworfen ist, welches Eintrittseffekte aufweist, wenn das Strömungsprofil (21) unter den Betriebsbedingungen betrieben wird.
Strömungsprofil nach Anspruch 1, wobei die Länge einer jeden Passage (22) derart limitiert ist, dass mindestens 80% der Länge einem Kühlluftgeschwindigkeitsprofil unterworfen ist, welches Eintrittseffekte aufweist, wenn das Strömungsprofil (21) unter den Betriebsbedingungen betrieben wird.
Wand (12) zur Verwendung in einer Vorrichtung in einer Gasturbinenmaschine, wobei die Wand (12) von Kühlluft kühlbar ist, und wobei die Vorrichtung unter Betriebsbedingungen in der Gasturbinenmaschine arbeitsfähig ist, wobei die kühlbare Wand (12) aufweist: eine der Kühlluft ausgesetzte Innenoberfläche; eine Kerngas ausgesetzte Außenoberfläche; und mindestens eine Kühlluftpassage (22), die in der Wand (12) zwischen der Innenoberfläche und der Außenoberfläche angeordnet ist, wobei die Passage (22) eine Mehrzahl von Segmenten (22) hat, die in Serie durch mindestens eine Kehre (26) verbunden sind, wobei eines der Passagensegmente (24) eine Einlaßöffnung (28) aufweist, die sich zwischen der Passage (22) und der Innenoberfläche erstreckt, und ein anderes der Passagensegmente (24) eine Austrittsöffnung (32) aufweist, die sich zwischen der Passage (22) und der Außenoberfläche erstreckt, und dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Passagensegmente (24) eine Länge hat und die Länge derart limitiert ist, dass mindestens 50% der Länge einem Kühlluftgeschwindigkeitsprofil unterworfen ist, welches Eintrittseffekte aufweist, wenn das Strömungsprofil (21) unter den Betriebsbedingungen betrieben wird.
Wand (12) nach Anspruch 3, wobei die Länge einer jeden Passage (22) derart limitiert ist, dass mindestens 80% der Länge einem Kühlluftgeschwindigkeitsprofil unterworfen ist, welches Eintrittseffekte aufweist, wenn das Strömungsprofil (21) unter den Betriebsbedingungen betrieben wird.
Verfahren zum Kühlen einer Wand (12) in einer Gasturbinenmaschine, aufweisend die folgenden Schritte: Bereitstellen einer Wand (12) mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei eine Quelle von Kühlluft anliegend an der ersten Oberfläche und eine Quelle von Kerngas anliegend an der zweiten Oberfläche ist; Bereitstellen eines Satzes von Betriebsbedingungen für die Gasturbinenmaschine; Bereitstellen einer in der Wand (12) zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche angeordneten Passage (22) wobei die Passage (22) eine Mehrzahl von miteinander durch mindestens eine Kehre (26) verbundene Segmente (24) aufweist, wobei sich eine Einlaßöffnung (28) zwischen einem der Segmente (24) und der ersten Oberfläche erstreckt und sich eine Austrittsöffnung (32) zwischen einem anderen der Segmente (24) und der zweiten Oberfläche erstreckt und wobei jedes der Segmente (24) eine Länge hat; Bemessen der Länge eines jeden der Segmente (24) derart, dass unter den Betriebsbedingungen durch eines der Passagensegmente (24) strömende Kühlluft ein Geschwindigkeitsprofil mit Eintrittsbereicheffekt-Eigenschaften über mindestens 50% der Länge hat.