EP2031302A1 - Gas turbine with a coolable component - Google Patents
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- EP2031302A1 EP2031302A1 EP07016761A EP07016761A EP2031302A1 EP 2031302 A1 EP2031302 A1 EP 2031302A1 EP 07016761 A EP07016761 A EP 07016761A EP 07016761 A EP07016761 A EP 07016761A EP 2031302 A1 EP2031302 A1 EP 2031302A1
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Definitions
- the invention relates to a gas turbine with a number of each combined into rows of blades, arranged on a turbine shaft blades and a number of guide vanes combined, connected to a turbine housing vanes and with a number of hot gas components, in which a hot gas flow space bordering outer wall is integrated in each case a number of cooling channels for acting on a cooling medium.
- Gas turbines are used in many areas to drive generators or work machines.
- the energy content of a fuel is used to generate a rotational movement of a turbine shaft.
- the fuel is burned in a combustion chamber, compressed air being supplied by an air compressor.
- the working medium produced in the combustion chamber by the combustion of the fuel, under high pressure and at high temperature, is guided via a turbine unit arranged downstream of the combustion chamber, where it relaxes to perform work.
- a number of suitable hot gas-conducting components are provided, for example the combustion chamber per se or its outflow region and this downstream transition piece opening into the turbine unit.
- a number of rotor blades which are usually combined into blade groups or rows of blades, are arranged thereon and drive the turbine shaft via a momentum transfer from the working medium.
- To guide the working fluid in the turbine unit also usually connected between adjacent blade rows are connected to the turbine housing Leitschaufelhalln.
- cooling of the affected components in particular of rotor blades and / or guide vanes of the turbine unit or of the hot gas-conducting components, is usually provided.
- These affected components in particular the hot gas-carrying components such as combustion chamber walls or transition pieces, are therefore usually designed coolable, in particular, an effective and reliable cooling of the flow space of the hot gas directly limiting component walls should be ensured.
- the affected outer wall of the respective component usually has a cooling channel integrated into the wall material for the application of a coolant such as, for example, air or steam.
- a reliable cooling system for the respective component wall can be provided with comparatively simple means, wherein also thermally highly stressed zones of the component are suitable acted upon by coolant.
- the flow cross-sections achievable for the cooling channels are only limited. Too small a flow cross-section can help, among other things, that the flow resistance during the flow of the coolant through the cooling channel is undesirably high, which can have an effect-reducing effect. In order to limit this disadvantage, the flow rate of the coolant could generally be reduced, which, on the other hand, adversely affects the desired cooling effect again.
- the invention is therefore an object of the invention to provide a gas turbine of the type mentioned above, in which even with regard to the limited space and a low efficiency for low pressure loss sufficient cooling effect on the thermally highly stressed areas of the respective component can be achieved safely.
- At least one of the cooling channels integrated into the outer wall of the respective component is provided with turbulence-generating structural elements at its inner wall facing away from the hot gas flow space.
- the invention is based on the consideration that, in order to ensure a sufficient cooling effect on the mentioned components with acceptable pressure loss, the maximization of the parameter heat transfer / (pressure loss) n should always be taken into account as a design target for the respective cooling channels, the exponent n being one of the dependent component and their specific conditions of use is dependent coefficient.
- the maximization of this characteristic as the design target can be promoted by maximizing the heat transfer coefficient of the surface of the respective cooling channel.
- the inner wall of the respective cooling channel should be provided with turbulence-generating structures in order to generate a particularly intimate contact between the coolant and the channel wall and thus a particularly effective heat exchange between the channel wall by the turbulence thus flowing in the coolant channel and to ensure coolant.
- this high heat transfer is achievable, without at the same time an excessively high pressure loss in the coolant is to be accepted.
- a particularly thin channel wall between the cooling channel and the hot gas flow space can be achieved if that wall of the cooling channel which faces the hot gas flow space is free of turbulence-generating structures.
- the desired high heat transfer between the coolant and the channel wall can be achieved in an advantageous embodiment by providing mixer fins, rib structures or other suitably selected structural elements projecting from the wall material into the flow region of the coolant as turbulence-generating structural elements to the respective channel wall or wall zone.
- mixer fins, rib structures or other suitably selected structural elements projecting from the wall material into the flow region of the coolant as turbulence-generating structural elements to the respective channel wall or wall zone.
- local wall recesses also referred to as so-called “dimples" or concave indentations in the wall surface, are provided as turbulence-generating structural elements.
- Such local wall recesses or “dimples” may have various outer contours such as circular, square, triangular, hexagonal or the like, various basic shapes such as spherical, cylindrical or the like, and geometry parameters such as embossing depths, effective surface area and the like.
- impressions or local wall recesses have the particular advantage that Such structures, the specific heat transfer at the interface can be significantly increased, without thereby increasing the pressure loss in particular measure.
- the pressure loss to be taken into account for a desired increase in the heat transfer through such local wall depressions is usually only about half as large as in the case of structures protruding from the wall surface.
- a particularly uniform flow course and thus a particularly uniform heat transfer with limited pressure loss, also with regard to the swirling or turbulence generated as intended in the flowing coolant, can be achieved by arranging the turbulence-generating structural elements in a further advantageous embodiment in an associated surface region of the inner wall in a regular grid arrangement.
- a grid arrangement a hexagonal grid is provided in a further advantageous embodiment, in which a particularly high packing or area density of the structural elements can be achieved.
- the turbulence-generating structural elements are adapted in a further advantageous embodiment in its outer contour to the grid structure. When selecting a hexagonal grid for the grid arrangement, a hexagonal outer contour for the structural elements is thus provided in this embodiment.
- said turbulence-generating structuring means are used in a cooling channel of a combustion chamber wall or of a transition piece of the gas turbine connected downstream of the combustion gas side on the hot gas side.
- the advantages achieved by the invention are in particular that by attaching turbulence-generating structural elements and in particular of concave wall depressions on the inner wall of an integrated into the outer wall of the hot gas leading component cooling channel with limited pressure loss, a particularly high heat transfer and thus even with limited space for the cooling system a particularly effective cooling of thermally highly loaded zones can be guaranteed.
- by the arrangement of these structural elements on the side facing away from the hot gas flow chamber inner wall of the cooling channel is also an excessively high temperature gradient in the wall material immediately adjacent to the flow space of the hot gas safely avoided.
- the gas turbine 1 has a compressor 2 for combustion air, a combustion chamber 4 and a turbine 6 for driving the compressor 2 and a generator, not shown or a work machine.
- the turbine 6 and the compressor 2 are arranged on a common, also called turbine rotor turbine shaft 8, with which the generator or the working machine is connected, and which is rotatably mounted about its central axis 9.
- the combustion chamber 4 is equipped with a number of burners 10 for the combustion of a liquid or gaseous fuel.
- the turbine 6 has a number of rotatable blades 12 connected to the turbine shaft 8.
- the blades 12 are arranged in a ring on the turbine shaft 8 and thus form a number of blade rows.
- the turbine 6 comprises a number of fixed vanes 14, which are also fixed in a ring shape with the formation of rows of vanes on an inner casing 16 of the turbine 6.
- the blades 12 serve to drive the turbine shaft 8 by momentum transfer from the turbine 6 flowing through the working medium M.
- the vanes 14, however, serve to guide the flow of the working medium M between two seen in the flow direction of the working medium M consecutive blade rows or blade rings.
- a successive pair of a ring of vanes 14 or a row of vanes and a ring of blades 12 or a blade row is also referred to as a turbine stage.
- Each vane 14 has a platform 18, also referred to as a blade root, which is arranged to fix the respective vane 14 on the inner housing 16 of the turbine 6 as a wall element.
- the platform 18 is a thermally comparatively heavily loaded component, which forms the outer boundary of a hot gas channel for the working medium M flowing through the turbine 6.
- Each blade 12 is attached to the turbine shaft 8 in an analogous manner via a platform 20, also referred to as a blade root.
- each guide ring 21 on the inner housing 16 of the turbine 6 is arranged between the spaced-apart platforms 18 of the guide vanes 14 of two adjacent rows of guide vanes.
- the outer surface of each guide ring 19 is also exposed to the hot, the turbine 6 flowing through the working fluid M and spaced in the radial direction from the outer end 22 of the blade 12 opposite it through a gap.
- the guide rings 19 arranged between adjacent guide blade rows serve in particular as cover elements which protect the inner wall 16 or other housing mounting parts from thermal overload by the hot working medium M flowing through the turbine 6.
- the gas turbine 1 is designed for a comparatively high outlet temperature of the working medium M emerging from the combustion chamber 4 from about 1200 ° C. to 1300 ° C.
- the gas turbine 1 is designed for a comparatively high outlet temperature of the working medium M emerging from the combustion chamber 4 from about 1200 ° C. to 1300 ° C.
- the respective Cooling channel 32 is provided on its inner wall with turbulence-generating structural elements 34, which increase the heat transfer from guided in the cooling passage 32 coolant into the wall with only a limited increase in the pressure loss.
- these turbulence-generating structure elements 34 are arranged in the embodiment exclusively on the side facing away from the hot gas flow chamber 36 inner wall 38 of the cooling channel 32.
- the inner wall 40 of the cooling channel 32 facing the hot gas flow space 36 is kept free of such structural elements, so that an excessively high temperature gradient in the region between the hot gas flow space 36 and the inner wall 40 of the cooling channel 32 facing the latter can be avoided.
- the inner wall 40 of the cooling channel 32 is smooth or even.
- the turbulence-generating structure elements 34 are configured in the embodiment as local wall recesses or concave depressions 42, so-called “dimples".
- these local depressions can have any suitable outer contours such as, for example, circular, square or the like.
- the recesses are provided with a hexagonal or hexagonal outer contour.
- the recesses 42 are arranged in a regular grid structure on the surface, wherein in the embodiment, a hexagonal grid structure is selected.
- the recesses 42 are adapted in their outer contour to the grid structure.
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Abstract
Bei einer Gasturbine (1) mit einer Anzahl von jeweils zu Laufschaufelreihen zusammengefassten, an einer Turbinenwelle (8) angeordneten Laufschaufeln (12) und mit einer Anzahl von jeweils zu Leitschaufelreihen zusammengefassten, mit einem Turbinengehäuse (16) verbundenen Leitschaufeln (14) sowie mit einer Anzahl von heißgasführenden Komponenten, in deren einen Heißgas-Strömungsraum (36) begrenzende Außenwand (28) jeweils eine Anzahl von Kühlkanälen (32) zur Beaufschlagung mit einem Kühlmedium integriert ist, soll der selbst im Hinblick auf das beschränkte Platzangebot und einen aus Wirkungsgradgründen angestrebten niedrigen Druckverlust eine ausreichende Kühlwirkung an den thermisch besonders belasteten Bereichen der jeweiligen Komponente sicher erzielt werden können. Dazu ist zumindest einer der in die Außenwand (28) der jeweiligen Komponente integrierten Kühlkanäle (32) an seiner vom Heißgas-Strömungsraum (36) abgewandten Innenwand (38) mit turbulenzerzeugenden Strukturelementen (34) versehen. In a gas turbine (1) with a number of each combined to blade rows, on a turbine shaft (8) arranged blades (12) and with a number of each grouped to Leitschaufelreihen, with a turbine housing (16) connected vanes (14) and with a Number of hot gas-carrying components, in which a hot gas flow space (36) bounding outer wall (28) is integrated in each case a number of cooling channels (32) for acting on a cooling medium, which is itself in view of the limited space and a low efficiency aspired for Pressure loss sufficient cooling effect on the thermally highly stressed areas of the respective component can be achieved safely. For this purpose, at least one of the cooling channels (32) integrated into the outer wall (28) of the respective component is provided with turbulence-generating structural elements (34) on its inner wall (38) facing away from the hot gas flow space (36).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine mit einer Anzahl von jeweils zu Laufschaufelreihen zusammengefassten, an einer Turbinenwelle angeordneten Laufschaufeln und mit einer Anzahl von jeweils zu Leitschaufelreihen zusammengefassten, mit einem Turbinengehäuse verbundenen Leitschaufeln sowie mit einer Anzahl von heißgasführenden Komponenten, in deren einen Heißgas-Strömungsraum begrenzende Außenwand jeweils eine Anzahl von Kühlkanälen zur Beaufschlagung mit einem Kühlmedium integriert ist.The invention relates to a gas turbine with a number of each combined into rows of blades, arranged on a turbine shaft blades and a number of guide vanes combined, connected to a turbine housing vanes and with a number of hot gas components, in which a hot gas flow space bordering outer wall is integrated in each case a number of cooling channels for acting on a cooling medium.
Gasturbinen werden in vielen Bereichen zum Antrieb von Generatoren oder von Arbeitsmaschinen eingesetzt. Dabei wird der Energieinhalt eines Brennstoffs zur Erzeugung einer Rotationsbewegung einer Turbinenwelle genutzt. Der Brennstoff wird dazu in einer Brennkammer verbrannt, wobei von einem Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird. Das in der Brennkammer durch die Verbrennung des Brennstoffs erzeugte, unter hohem Druck und unter hoher Temperatur stehende Arbeitsmedium wird dabei über eine der Brennkammer nachgeschaltete Turbineneinheit geführt, wo es sich arbeitsleistend entspannt. Zur Führung des Heißgasstroms in die Turbineneinheit hinein sind dabei eine Anzahl geeigneter heißgasführender Komponenten, beispielsweise die Brennkammer an sich oder deren Ausströmbereich sowie dieser nachgeschaltete, in die Turbineneinheit mündende Übergangsstücke vorgesehen.Gas turbines are used in many areas to drive generators or work machines. In this case, the energy content of a fuel is used to generate a rotational movement of a turbine shaft. For this purpose, the fuel is burned in a combustion chamber, compressed air being supplied by an air compressor. The working medium produced in the combustion chamber by the combustion of the fuel, under high pressure and at high temperature, is guided via a turbine unit arranged downstream of the combustion chamber, where it relaxes to perform work. For guiding the hot gas flow into the turbine unit, a number of suitable hot gas-conducting components are provided, for example the combustion chamber per se or its outflow region and this downstream transition piece opening into the turbine unit.
Zur Erzeugung der Rotationsbewegung der Turbinenwelle sind dabei an dieser eine Anzahl von üblicherweise in Schaufelgruppen oder Schaufelreihen zusammengefassten Laufschaufeln angeordnet, die über einen Impulsübertrag aus dem Arbeitsmedium die Turbinenwelle antreiben. Zur Führung des Arbeitsmediums in der Turbineneinheit sind zudem üblicherweise zwischen benachbarten Laufschaufelreihen mit dem Turbinengehäuse verbundene Leitschaufelreihen angeordnet.To generate the rotational movement of the turbine shaft, a number of rotor blades, which are usually combined into blade groups or rows of blades, are arranged thereon and drive the turbine shaft via a momentum transfer from the working medium. To guide the working fluid in the turbine unit also usually connected between adjacent blade rows are connected to the turbine housing Leitschaufelreihen.
Bei der Auslegung derartiger Gasturbinen ist zusätzlich zur erreichbaren Leistung üblicherweise ein besonders hoher Wirkungsgrad ein Auslegungsziel. Eine Erhöhung des Wirkungsgrades lässt sich dabei aus thermodynamischen Gründen grundsätzlich durch eine Erhöhung der Austrittstemperatur erreichen, mit dem das Arbeitsmedium aus der Brennkammer ab- und in die Turbineneinheit einströmt. Daher werden Temperaturen von etwa 1200 °C bis 1300 °C für derartige Gasturbinen angestrebt und auch erreicht.In the design of such gas turbines in addition to the achievable power usually a particularly high efficiency is a design target. An increase in the efficiency can be achieved for thermodynamic reasons basically by increasing the outlet temperature at which the working fluid from the combustion chamber and flows into the turbine unit. Therefore, temperatures of about 1200 ° C to 1300 ° C are sought for such gas turbines and achieved.
Bei derartig hohen Temperaturen des Arbeitsmediums sind jedoch die diesem ausgesetzten Komponenten und Bauteile hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Um dennoch bei hoher Zuverlässigkeit eine vergleichsweise lange Lebensdauer der betroffenen Komponenten zu gewährleisten, ist üblicherweise eine Kühlung der betroffenen Komponenten, insbesondere von Lauf- und/oder Leitschaufeln der Turbineneinheit oder auch von den genannten heißgasführenden Komponenten, vorgesehen. Diese betroffenen Komponenten, insbesondere die heißgasführenden Komponenten wie Brennkammerwände oder Übergangsstücke, sind daher üblicherweise kühlbar ausgebildet, wobei insbesondere eine wirksame und zuverlässige Kühlung der den Strömungsraum des Heißgases unmittelbar begrenzenden Komponentenwände sichergestellt sein soll. Zur Kühlung weist die betroffene Außenwand der jeweiligen Komponente dabei üblicherweise einen in das Wandmaterial integrierten Kühlkanal zur Beaufschlagung mit einem Kühlmittel wie beispielsweise Luft oder Dampf auf.At such high temperatures of the working medium, however, exposed to this components and components are exposed to high thermal loads. In order nevertheless to ensure a comparatively long service life of the affected components with high reliability, cooling of the affected components, in particular of rotor blades and / or guide vanes of the turbine unit or of the hot gas-conducting components, is usually provided. These affected components, in particular the hot gas-carrying components such as combustion chamber walls or transition pieces, are therefore usually designed coolable, in particular, an effective and reliable cooling of the flow space of the hot gas directly limiting component walls should be ensured. For cooling, the affected outer wall of the respective component usually has a cooling channel integrated into the wall material for the application of a coolant such as, for example, air or steam.
Auf diese Weise ist mit vergleichsweise einfachen Mitteln ein zuverlässiges Kühlsystem für die jeweilige Komponentenwand bereitstellbar, wobei auch thermisch besonders belastete Zonen der Komponente geeignet mit Kühlmittel beaufschlagbar sind. Dabei kann sich jedoch als problematisch erweisen, dass im Hinblick auf die zur strukturellen Stabilität erforderlichen Wandstärken die für die Kühlkanäle erreichbaren Strömungsquerschnitte nur begrenzt sind. Ein zu gering bemessener Strömungsquerschnitt kann dabei unter anderem dazu beitragen, dass der Strömungswiderstand bei der Durchströmung des Kühlmittels durch den Kühlkanal unerwünscht hoch ist, was sich wirkungsgradmindernd auswirken kann. Um diesen Nachteil zu begrenzen, könnte allgemein die Durchflussrate des Kühlmittels herabgesetzt werden, was andererseits aber wieder die angestrebte Kühlwirkung nachteilig beeinträchtigt.In this way, a reliable cooling system for the respective component wall can be provided with comparatively simple means, wherein also thermally highly stressed zones of the component are suitable acted upon by coolant. However, it can prove to be problematic that, with regard to the wall thicknesses required for structural stability, the flow cross-sections achievable for the cooling channels are only limited. Too small a flow cross-section can help, among other things, that the flow resistance during the flow of the coolant through the cooling channel is undesirably high, which can have an effect-reducing effect. In order to limit this disadvantage, the flow rate of the coolant could generally be reduced, which, on the other hand, adversely affects the desired cooling effect again.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbine der oben genannten Art anzugeben, bei der selbst im Hinblick auf das beschränkte Platzangebot und einen aus Wirkungsgradgründen angestrebten niedrigen Druckverlust eine ausreichende Kühlwirkung an den thermisch besonders belasteten Bereichen der jeweiligen Komponente sicher erzielt werden kann.The invention is therefore an object of the invention to provide a gas turbine of the type mentioned above, in which even with regard to the limited space and a low efficiency for low pressure loss sufficient cooling effect on the thermally highly stressed areas of the respective component can be achieved safely.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem zumindest einer der in die Außenwand der jeweiligen Komponente integrierten Kühlkanäle an seiner vom Heißgas-Strömungsraum abgewandten Innenwand mit turbulenzerzeugenden Strukturelementen versehen ist.This object is achieved according to the invention in that at least one of the cooling channels integrated into the outer wall of the respective component is provided with turbulence-generating structural elements at its inner wall facing away from the hot gas flow space.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass zur Gewährleistung einer ausreichenden Kühlwirkung an den genannten Komponenten bei akzeptablem Druckverlust grundsätzlich als Auslegungsziel für die jeweiligen Kühlkanäle die Maximierung des Kennwerts Wärmeübertrag/(Druckverlust)n berücksichtigt werden sollte, wobei der Exponent n ein von der jeweiligen Komponente und deren spezifischen Einsatzbedingungen abhängiger Koeffizient ist. Die als Auslegungsziel zugrunde gelegte Maximierung dieses Kennwerts kann durch Maximierung des Wärmeübertragungskoeffizienten der Oberfläche des jeweiligen Kühlkanals begünstigt werden. Um einen besonders großen Wert dieses Wärmeübertragungskoeffizienten zu erhalten, sollte die Innenwand des jeweiligen Kühlkanals mit turbulenzerzeugenden Strukturen versehen sein, um durch die damit im im Kühlkanal strömenden Kühlmittel erzeugten Turbulenzen einen besonders innigen Kontakt zwischen Kühlmittel und Kanalwand und somit einen besonders effektiven Wärmeaustausch zwischen Kanalwand und Kühlmittel zu gewährleisten. Gerade über die gezielte Erzeugung von Turbulenzen oder Wirbeln im Kühlmittel ist dieser hohe Wärmeübertrag dabei erreichbar, ohne dass gleichzeitig ein allzu hoher Druckverlust im Kühlmittel in Kauf zu nehmen ist. Um bei einer derartigen Anordnung ein vergleichsweise homogen verlaufendes Temperaturprofil unter Vermeidung zu hoher durch Temperaturunterschiede induzierter thermischer Spannungen in den Materialien zu erreichen, sollte ein derartig hoher wandseitiger Wärmeübertrag aber nicht für diejenige Kanalwand, die ihrerseits unmittelbar mit der Heißgaszone in Berührung steht, sondern vielmehr gezielt für die dieser gegenüberliegende Kanalwand vorgesehen sein. Damit ist ein zu hoher Temperaturgradient im Wandmaterial sicher vermieden.The invention is based on the consideration that, in order to ensure a sufficient cooling effect on the mentioned components with acceptable pressure loss, the maximization of the parameter heat transfer / (pressure loss) n should always be taken into account as a design target for the respective cooling channels, the exponent n being one of the dependent component and their specific conditions of use is dependent coefficient. The maximization of this characteristic as the design target can be promoted by maximizing the heat transfer coefficient of the surface of the respective cooling channel. In order to obtain a particularly large value of this heat transfer coefficient, the inner wall of the respective cooling channel should be provided with turbulence-generating structures in order to generate a particularly intimate contact between the coolant and the channel wall and thus a particularly effective heat exchange between the channel wall by the turbulence thus flowing in the coolant channel and to ensure coolant. Just about the targeted generation of turbulence or vortices in the coolant, this high heat transfer is achievable, without at the same time an excessively high pressure loss in the coolant is to be accepted. In order to achieve a comparatively homogeneous temperature profile in such an arrangement while avoiding too high caused by temperature differences induced thermal stresses in the materials, such a high wall-side heat transfer but not for that channel wall, which in turn is directly in contact with the hot gas zone, but rather targeted be provided for this opposite channel wall. This reliably avoids an excessively high temperature gradient in the wall material.
Eine besonders dünne Kanalwand zwischen Kühlkanal und Heißgas-Strömungsraum kann erreicht werden, wenn diejenige Wand des Kühlkanals, welche dem Heißgas-Strömungsraum zugewandt ist, frei von turbulenzerzeugenden Strukturen ist.A particularly thin channel wall between the cooling channel and the hot gas flow space can be achieved if that wall of the cooling channel which faces the hot gas flow space is free of turbulence-generating structures.
Der gewünschte hohe Wärmeübertrag zwischen Kühlmittel und Kanalwand ist in vorteilhafter Ausgestaltung erreichbar, indem als turbulenzerzeugende Strukturelemente an die jeweilige Kanalwand oder Wandzone angeformte Mischerflossen, Rippenstrukturen oder andere geeignet gewählte, aus dem Wandmaterial in den Strömungsbereich des Kühlmittels hineinragende Strukturelemente vorgesehen sind. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung sind als turbulenzerzeugende Strukturelemente aber lokale Wandvertiefungen, auch als so genannte "Dimples" oder konkave Einformungen in der Wandoberfläche bezeichnet, vorgesehen. Derartige lokale Wandvertiefungen oder "Dimples" können verschiedenartige Außenkonturen wie beispielsweise kreisförmig, quadratisch, dreieckig, hexagonal oder dergleichen, verschiedenartige Grundformen wie sphärisch, zylindrisch oder der gleichen, und Geometrieparameter, wie Einprägetiefen, effektiver Oberflächenanteil und dergleichen, aufweisen. Im Vergleich zu anderen turbulenzerzeugenden Strukturelementen haben derartige Einprägungen oder lokale Wandvertiefungen insbesondere den Vorteil, dass durch derartige Strukturen der spezifische Wärmeübertrag an der Grenzfläche signifikant gesteigert werden kann, ohne dass dadurch der Druckverlust im besonderen Maße steigt. Insbesondere ist der für eine gewünschte Erhöhung des Wärmeübertrags in Kauf zu nehmende Druckverlust durch derartige lokale Wandvertiefungen im Vergleich zu aus der Wandfläche hervortretenden Strukturen üblicherweise nur etwa halb so groß.The desired high heat transfer between the coolant and the channel wall can be achieved in an advantageous embodiment by providing mixer fins, rib structures or other suitably selected structural elements projecting from the wall material into the flow region of the coolant as turbulence-generating structural elements to the respective channel wall or wall zone. In a particularly advantageous embodiment, however, local wall recesses, also referred to as so-called "dimples" or concave indentations in the wall surface, are provided as turbulence-generating structural elements. Such local wall recesses or "dimples" may have various outer contours such as circular, square, triangular, hexagonal or the like, various basic shapes such as spherical, cylindrical or the like, and geometry parameters such as embossing depths, effective surface area and the like. Compared to other turbulence-generating structural elements such impressions or local wall recesses have the particular advantage that Such structures, the specific heat transfer at the interface can be significantly increased, without thereby increasing the pressure loss in particular measure. In particular, the pressure loss to be taken into account for a desired increase in the heat transfer through such local wall depressions is usually only about half as large as in the case of structures protruding from the wall surface.
Ein auch im Hinblick auf die bestimmungsgemäß im strömenden Kühlmittel erzeugten Wirbeln oder Turbulenzen besonders gleichmäßiger Strömungsverlauf und damit ein besonders gleichmäßiger Wärmeübertrag bei begrenztem Druckverlust ist erreichbar, indem die turbulenzerzeugenden Strukturelemente in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung in einem zugeordneten Oberflächenbereich der Innenwand in einer regelmäßigen Gitteranordnung angeordnet sind. Als Gitteranordnung ist dabei in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ein hexagonales Gitter vorgesehen, bei dem eine besonders hohe Packungs- oder Flächendichte der Strukturelemente erreichbar ist. Die turbulenzerzeugenden Strukturelemente sind dabei in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung in ihrer Außenkontur an die Gitterstruktur angepasst. Bei der Wahl eines Hexagonalgitters für die Gitteranordnung ist somit in dieser Ausgestaltung eine sechsecksförmige Außenkontur für die Strukturelemente vorgesehen.A particularly uniform flow course and thus a particularly uniform heat transfer with limited pressure loss, also with regard to the swirling or turbulence generated as intended in the flowing coolant, can be achieved by arranging the turbulence-generating structural elements in a further advantageous embodiment in an associated surface region of the inner wall in a regular grid arrangement. As a grid arrangement, a hexagonal grid is provided in a further advantageous embodiment, in which a particularly high packing or area density of the structural elements can be achieved. The turbulence-generating structural elements are adapted in a further advantageous embodiment in its outer contour to the grid structure. When selecting a hexagonal grid for the grid arrangement, a hexagonal outer contour for the structural elements is thus provided in this embodiment.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung kommen die genannten turbulenzerzeugenden Strukturmittel in einem Kühlkanal einer Brennkammerwand oder eines der Brennkammer heißgasseitig nachgeschalteten Übergangsstücks der Gasturbine zum Einsatz.In a particularly advantageous embodiment, said turbulence-generating structuring means are used in a cooling channel of a combustion chamber wall or of a transition piece of the gas turbine connected downstream of the combustion gas side on the hot gas side.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Anbringung turbulenzerzeugender Strukturelemente und insbesondere von konkaven Wandvertiefungen an der Innenwand eines in die Außenwand der heißgasführenden Komponente integrierten Kühlkanals bei begrenztem Druckverlust ein besonders hoher Wärmeübertrag und somit selbst bei nur begrenztem Platzangebot für das Kühlsystem eine besonders wirksame Kühlung auch thermisch hoch belasteter Zonen gewährleistet werden kann. Insbesondere durch die Anordnung dieser Strukturelemente an der vom Heißgas-Strömungsraum abgewandten Innenwand des Kühlkanals ist dabei zudem ein zu hoher Temperaturgradient im Wandmaterial unmittelbar benachbart zum Strömungsraum des Heißgases sicher vermieden.The advantages achieved by the invention are in particular that by attaching turbulence-generating structural elements and in particular of concave wall depressions on the inner wall of an integrated into the outer wall of the hot gas leading component cooling channel with limited pressure loss, a particularly high heat transfer and thus even with limited space for the cooling system a particularly effective cooling of thermally highly loaded zones can be guaranteed. In particular, by the arrangement of these structural elements on the side facing away from the hot gas flow chamber inner wall of the cooling channel is also an excessively high temperature gradient in the wall material immediately adjacent to the flow space of the hot gas safely avoided.
Zur Herstellung der Oberflächenstrukturen kommen grundsätzlich verschiedene geeignete Verfahren in Betracht, wie beispielsweise Gießen, Ätzen, spanabhebende Bearbeitung, Kaltverformung durch Pressen oder dergleichen. Im Hinblick auf die möglicherweise begrenzte Zugänglichkeit der betroffenen Oberflächen im Innenwandbereich der Kühlkanäle besonders vorteilhaft ist aber in der Art einer so genannten Wölbstrukturierung die Herstellung durch die Nutzung einer "natürlichen Faltung", die Materialien unter geeigneten Umgebungsbedingungen unter Beaufschlagung mit externem hydrostatischen Druck aufweisen.In principle, various suitable processes can be considered for producing the surface structures, such as, for example, casting, etching, machining, cold forming by pressing or the like. In view of the possibly limited accessibility of the affected surfaces in the inner wall region of the cooling channels is particularly advantageous in the manner of a so-called Völbstrukturierung production by the use of a "natural folding", the materials under suitable environmental conditions under exposure to external hydrostatic pressure.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- FIG 1
- einen Halbschnitt durch eine Gasturbine,
- FIG 2
- einen Ausschnitt aus einem Längsschnitt der Gasturbine nach
FIG 1 mit der Darstellung eines Kühlkanals in einer Außenwand einer Brennkammer, und - FIG 3
- einen Ausschnitt aus der Oberfläche einer Innenwand des Kühlkanals nach
FIG 2 .
- FIG. 1
- a half-section through a gas turbine,
- FIG. 2
- a section of a longitudinal section of the gas turbine after
FIG. 1 with the representation of a cooling channel in an outer wall of a combustion chamber, and - FIG. 3
- a section of the surface of an inner wall of the cooling channel after
FIG. 2 ,
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.Identical parts are provided with the same reference numerals in all figures.
Die Gasturbine 1 gemäß
Die Brennkammer 4 ist mit einer Anzahl von Brennern 10 zur Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs bestückt.The
Die Turbine 6 weist eine Anzahl von mit der Turbinenwelle 8 verbundenen, rotierbaren Laufschaufeln 12 auf. Die Laufschaufeln 12 sind kranzförmig an der Turbinenwelle 8 angeordnet und bilden somit eine Anzahl von Laufschaufelreihen. Weiterhin umfasst die Turbine 6 eine Anzahl von feststehenden Leitschaufeln 14, die ebenfalls kranzförmig unter der Bildung von Leitschaufelreihen an einem Innengehäuse 16 der Turbine 6 befestigt sind. Die Laufschaufeln 12 dienen dabei zum Antrieb der Turbinenwelle 8 durch Impulsübertrag vom die Turbine 6 durchströmenden Arbeitsmedium M. Die Leitschaufeln 14 dienen hingegen zur Strömungsführung des Arbeitsmediums M zwischen jeweils zwei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums M gesehen aufeinander folgenden Laufschaufelreihen oder Laufschaufelkränzen. Ein aufeinander folgendes Paar aus einem Kranz von Leitschaufeln 14 oder einer Leitschaufelreihe und aus einem Kranz von Laufschaufeln 12 oder einer Laufschaufelreihe wird dabei auch als Turbinenstufe bezeichnet.The
Jede Leitschaufel 14 weist eine auch als Schaufelfuß bezeichnete Plattform 18 auf, die zur Fixierung der jeweiligen Leitschaufel 14 am Innengehäuse 16 der Turbine 6 als Wandelement angeordnet ist. Die Plattform 18 ist dabei ein thermisch vergleichsweise stark belastetes Bauteil, das die äußere Begrenzung eines Heißgaskanals für das die Turbine 6 durchströmende Arbeitsmedium M bildet. Jede Laufschaufel 12 ist in analoger Weise über eine auch als Schaufelfuß bezeichnete Plattform 20 an der Turbinenwelle 8 befestigt.Each
Zwischen den beabstandet voneinander angeordneten Plattformen 18 der Leitschaufeln 14 zweier benachbarter Leitschaufelreihen ist jeweils ein Führungsring 21 am Innengehäuse 16 der Turbine 6 angeordnet. Die äußere Oberfläche jedes Führungsrings 19 ist dabei ebenfalls dem heißen, die Turbine 6 durchströmenden Arbeitsmedium M ausgesetzt und in radialer Richtung vom äußeren Ende 22 der ihm gegenüber liegenden Laufschaufel 12 durch einen Spalt beabstandet. Die zwischen benachbarten Leitschaufelreihen angeordneten Führungsringe 19 dienen dabei insbesondere als Abdeckelemente, die die Innenwand 16 oder andere Gehäuse-Einbauteile vor einer thermischen Überbeanspruchung durch das die Turbine 6 durchströmende heiße Arbeitsmedium M schützt.Between the spaced-
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Gasturbine 1 für eine vergleichsweise hohe Austrittstemperatur des aus der Brennkammer 4 austretenden Arbeitsmediums M von etwa 1200 °C bis 1300 °C ausgelegt. Um dies zu ermöglichen, sind zumindest einige der Laufschaufeln 12 und der Leitschaufeln 14 ebenso wie als heißgasführende Komponenten die Außenwand 28 der Brennkammer 4 und ein dieser nachgeschaltetes Übergangsstück durch Kühlluft als Kühlmedium kühlbar.To achieve a comparatively high efficiency, the gas turbine 1 is designed for a comparatively high outlet temperature of the working medium M emerging from the
Dazu sind, wie dies in der vergrößerten Darstellung in
Bei der Auslegung und Ausgestaltung der in die Außenwand 28 der jeweiligen heißgasführenden Komponente integrierten Kühlkanäle 32 ist insbesondere berücksichtigt, dass gerade im Hinblick auf das durch die Wandstärke begrenzte Platzangebot für das Kühlsystem ein besonders hoher Wirkungsgrad der Kühlung unter möglichst begrenzt gehaltenem Druckverlust erreicht werden soll. Um dies zu ermöglichen, ist der jeweilige Kühlkanal 32 an seiner Innenwand mit turbulenzerzeugenden Strukturelementen 34 versehen, die bei nur begrenzter Erhöhung des Druckverlusts den Wärmeübergang vom im Kühlkanal 32 geführten Kühlmittel in die Wand hinein deutlich erhöhen. Wie der Darstellung in
Wie der Darstellung eines Oberflächenausschnitts der Innenwand 38 des Kühlkanals 32 gemäß
Claims (7)
wobei zumindest einer der Kühlkanäle (32) an seiner vom Heißgas-Strömungsraum (36) abgewandten Innenwand (38) mit turbulenzerzeugenden Strukturelementen (34) versehen ist.A gas turbine (1) comprising a number of rotor blades (12), each arranged in a row of blades, and having a number of guide vanes (14) combined with a turbine housing (16) and with a number of guide vanes hot gas-carrying components, in whose hot gas flow space (36) delimiting outer wall (28) is integrated in each case a number of cooling channels (32) for acting on a cooling medium,
wherein at least one of the cooling channels (32) is provided at its from the hot gas flow space (36) facing away from the inner wall (38) with turbulence-generating structure elements (34).
welche dem Heißgas-Strömungsraum zugewandt ist, frei von turbulenzerzeugenden Strukturelementen ist.Gas turbine (1) according to claim 1, in which the wall of the cooling channel (32),
which faces the hot gas flow space, is free of turbulence-generating structural elements.
bei der als turbulenzerzeugende Strukturelemente (34) Mischerflossen vorgesehen sind.Gas turbine according to claim 1 or 2,
in which mixer fins are provided as turbulence-generating structural elements (34).
bei der als turbulenzerzeugende Strukturelemente (34) lokale Wandvertiefungen (40) vorgesehen sind.Gas turbine according to claim 1, 2 or 3,
in which local wall recesses (40) are provided as turbulence-generating structural elements (34).
bei der die turbulenzerzeugenden Strukturelemente (34) in einem zugeordneten Oberflächenbereich der Innenwand (38) in einer regelmäßigen Gitteranordnung, vorzugsweise in der Art eines Hexagonalgitters, angeordnet sind.Gas turbine according to one of claims 1 to 4,
in which the turbulence-generating structural elements (34) are arranged in an associated surface region of the inner wall (38) in a regular grid arrangement, preferably in the manner of a hexagonal grid.
bei der die turbulenzerzeugenden Strukturelemente (34) in ihrer Außenkontur an die Gitterstruktur angepasst sind.Gas turbine according to claim 5,
in which the turbulence-generating structural elements (34) are adapted in their outer contour to the grid structure.
bei der die turbulenzerzeugenden Strukturelemente (34) in einem Kühlkanal (32) einer Brennkammerwand oder eines der Brennkammer (4) heißgasseitig nachgeschalteten Übergangsstückes (30) angeordnet sind.Gas turbine according to one of claims 1 to 5,
in which the turbulence-generating structural elements (34) are arranged in a cooling channel (32) of a combustion chamber wall or of a transition piece (30) arranged downstream of the hot gas side (30).
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP07016761A EP2031302A1 (en) | 2007-08-27 | 2007-08-27 | Gas turbine with a coolable component |
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| EP07016761A EP2031302A1 (en) | 2007-08-27 | 2007-08-27 | Gas turbine with a coolable component |
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| Publication Number | Publication Date |
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| EP2031302A1 true EP2031302A1 (en) | 2009-03-04 |
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- 2007-08-27 EP EP07016761A patent/EP2031302A1/en not_active Withdrawn
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