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Title:
FILM COOLING HOLE IN GAS TURBINE COMPONENTS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/162743
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a film cooling hole (20) of gas turbine components to be cooled, having an inflow section (26) with a constant flow area, to which a diffuser section (28) with a variable flow area is connected. The aim of the invention is to provide a particularly efficient film cooling. To this end, the diffuser region (26) is simply widened in the direction perpendicular to the flow direction of the hotter medium MH.

Inventors:
BECK, Thomas (Jägerstr. 25 D, Panketal, 16341, DE)
DAHLKE, Stefan (Alexander Wiedenhoffstr. 30, Mülheim a.d. Ruhr, 45481, DE)
DIETRICH, Jens (Lilienthalstr. 70, Falkensee, 14612, DE)
HOHENSTEIN, Sebastian (Alte Landstraße 83, Düsseldorf, 40489, DE)
Application Number:
EP2017/056834
Publication Date:
September 28, 2017
Filing Date:
March 22, 2017
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
F01D5/18
Domestic Patent References:
WO2001043912A12001-06-21
Foreign References:
EP0945593A11999-09-29
US20120051941A12012-03-01
EP0227578A21987-07-01
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Claims:
Patentansprüche :

Gekühltes Bauteil (12) für eine Turbine,

mit einer Wand (14), die von einer ersten Oberfläche (16) und einer der ersten Oberfläche (16) gegenüberliegende zweite Oberfläche (18) begrenzt ist, wobei die erste Ober¬ fläche (16) vorgesehen ist von einem heißeren Medium (MH), welches von einem stromaufliegenden Bereich (16a) zu einem stromabliegenden Bereich (16b) strömbar ist, umströmt zu werden, und wobei die zweite Oberfläche (18) vorgesehen ist mit einem kühleren Medium (MK) in Kontakt zu kommen, mit zumindest einem zur zweiten Oberfläche (18) geneigten Filmkühlloch (20) zur Durchleitung des kühleren Mediums (MK) durch die Wand zur zweiten Oberfläche (16),

wobei das betreffende Filmkühlloch (20) umfasst:

- eine in der zweiten Oberfläche (18) angeordnete

Einströmöffnung (22), durch welche das kühlere Medium (MK) in das Filmkühlloch (20) einströmbar ist,

- eine in der ersten Oberfläche (16) angeordnete

Ausströmöffnung (24), durch welche das im Inneren des Filmkühllochs (20) strömbare kühlere Medium (MK) das Film¬ kühlloch (20) verlassen kann,

- eine virtuelle zentrale Längsachse (LL) , die sich mit einer Lochlänge (L) von der Einströmöffnung (22) bis zu der Ausströmöffnung (24) erstreckt,

- vier Umfangsabschnitte, die entlang eines zur Längsachse tangentialen Umlaufs aufeinanderfolgend nacheinander inei¬ nander übergehen:

* einen dem heißeren Medium zugewandten Umfangsab- schnitt (UAH),

* einen ersten seitlichen Umfangsabschnitt (UASi) ,

* einen dem kühleren Medium zugewandten Umfangsab- schnitt (UAK) und

* einen zweiten seitlichen Umfangsabschnitt (UAS2),

- einen zwischen der Einströmöffnung (22) und einem Übergangspunkt (25) angeordneten Einströmabschnitt (26) mit einem konstanten Durchströmungsquerschnitt und

- einen von dem Übergangspunkt (25) bis zur

Ausströmöffnung (24) angeordneten Diffusorabschnitt (28) mit einem in dieser Richtung zunehmenden Durchströmungsquerschnitt,

- eine abströmseitigen Diffusorkante (30), an der der dem kühleren Medium zugewandte Umfangsabschnitt (UAK) an die zweite Oberfläche (16) angrenzt,

- eine anströmseitigen Diffusorkante (34), an der der dem heißeren Medium zugewandte Umfangsabschnitt (UAH) an die zweite Oberfläche (16) angrenzt und

- einen Abstand (wbc) zwischen anströmseitiger

Diffusorkante (34) und abströmseitige Diffusorkante (30), wobei die Neigung des Filmkühllochs (20) gegenüber der ersten Oberfläche (16) derart ist, dass die virtuelle zentrale Längsachse (LL) - in einer Querschnittbetrachtung durch die betreffende Wand (14) - mit dem stromauf liegen¬ den Bereich (16a) der zweiten Oberfläche (16) einen spitzen Neigungswinkel ( N) einschließt, und

wobei der dem kühleren Medium (MK) zugewandte Umfangsab- schnitt (UAK) mit der virtuellen Längsachse (LL) - in ei¬ ner Querschnittbetrachtung durch die betreffende Wand (14)

- einen Rücklage-Winkel (0(3) einschließt,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Rücklage-Winkel (0(3) einen Wert kleiner als 1° auf- weist.

2. Bauteil (12) nach Anspruch 1,

bei dem die zwischen dem Übergangspunkt (25) und der Ausströmöffnung (24) erfassbare Länge (Ldiff) des

Diffusorabschnitts (28) größer ist als der 7-fache

Durchmesser (d) des Einströmabschnitts (26).

3. Bauteil (12) nach Anspruch 1 oder 2,

bei dem die seitlichen Umfangsabschnitte (UASi, UAS2) des Diffusorabschnitts (28) bei senkrechter Projektion zur ersten Oberfläche (16) geradlinig ausgestaltet sind und diese mit der virtuellen zentralen Längsachse (LL) einen Öffnungswinkel (ßi) von mindestens 11,5° einschließen.

4. Bauteil (12) nach Anspruch 1, 2 oder 3,

bei dem die abströmseitige Diffusorkante (30) im Wesent¬ lichen gerade ist.

5. Bauteil (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die anströmseitige Diffusorkante (34) gekrümmt ist .

6. Bauteil (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Abstand (wbc) im Wesentlichen dem Durchmesser (d) des Einströmabschnitts (26) geteilt durch den Sinus des Neigungswinkel ( N) entspricht: wbc = d / sind ( N) . Bauteil (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Diffusorabschnitt (28) unmittelbar stromab des Übergangspunkts (25) - in einer Querschnittbetrachtung durch die betreffende Wand (14) - eine Diffusorhöhe (h) aufweist, die kleiner ist als der Durchmesser (d) des Einströmabschnitts (26).

Bauteil (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Vielzahl entsprechender Filmkühllöcher (20), angeordnet in ein oder mehreren Reihen.

Description:
Filmkühlloch in Gasturbinen - Bauteilen

Die Erfindung betrifft Filmkühllöcher von zu kühlenden Gasturbinen-Bauteilen. Gasturbinen-Bauteile, die Filmkühllöcher aufweisen, können beispielsweise Turbinenschaufeln, Ringsegmente oder auch Brennkammerbauteile sein.

Mit Hilfe der Filmkühllöcher kann ein kühlender Luftfilm auf von Heißgas überströmbaren Flächen der zu kühlenden Bauteile erzeugt werden, welcher diese vor dem direkten Kontakt und damit vor den thermischen Einflüssen des daran entlang strömenden Heißgases schützen soll.

So offenbart beispielsweise die EP 0 227 578 A2 ein konventi- onelles Filmkühlluftloch, bei der sich an einen runde Einlass ein diffusorartiger Bereich anschließt. Durch den

diffusorartigen Bereich wird eine Auffächerung der ausströmenden Kühlluft in lateraler Richtung ermöglicht. Jedoch besteht im Zuge steigender Verbrennungstemperaturen und stei- genden Anforderungen an den Wirkungsgrad von Gasturbinen weiterhin ein besonderes Interesse an der Bereitstellung eines Filmkühllochs mit gesteigerter Kühlkapazität bei geringem Kühllufteinsatz . Aufgabe dieser Erfindung ist die Bereitstellung eines Filmkühllochs, mit dem eine besonders effiziente Filmkühlung er ¬ reicht werden kann.

Diese Aufgabe wird mit einem Filmkühlloch gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben, wobei die Merkmale der abhängigen Ansprüche in beliebiger Weise auch nur teilweise miteinander kombiniert werden können. Es zeigen: Fig. 1 ein herkömmliches Filmkühlloch mit gegenläufig ro ¬ tierenden Wirbelpaaren,

Fig. 2 das herkömmliche Filmkühlloch in einem Querschnitt, Fig. 3 das herkömmliche Filmkühlloch in einer Draufsicht,

Fig. 4 ein erfindungsgemäßes Filmkühlloch in einer perspektivischen Ansicht, Fig. 5 das erfindungsgemäße Filmkühlloch mit gegenläufig rotierenden Wirbelpaaren, einen Querschnitt durch eine das erfindungsgemäße Filmkühlloch aufweisende Bauteilwand und eine zur ersten Oberfläche senkrechte Draufsicht auf das erfindungsgemäße Filmkühlloch.

Die Erfindung und das erfindungsgemäße Filmkühlloch 20 sind in den Figuren 4 bis 7 dargestellt, wohingegen die Figuren 1 bis 3 ein vorbekanntes Filmkühlloch 2 zeigen. Sowohl bei der Darstellung der Erfindung als auch bei der Darstellung des Standes der Technik sind identische Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Jedes der gezeigten Filmkühllöcher 2, 20 ist in einer heißgasbeaufschlagbaren Wand 14 als Durchgangsloch ausgebildet, so dass es sich von einer ersten Oberfläche 16 der Wand 14 zu einer dieser gegenüberliegenden zweiten Oberfläche 18 der Wand 14 erstreckt. Die erste Oberfläche 16 ist bei be ¬ stimmungsgemäßen Einsatz der Erfindung von einem heißeren Medium M H überströmt, wohingegen die zweite Oberfläche 18 wäh ¬ renddessen einem kühleren Medium M K ausgesetzt ist. Üblicher- weise handelt es sich bei dem heißeren Medium um ein Arbeits ¬ medium und bei dem kühleren Medium um Kühlluft. Die Wand 14 kann beispielsweise ein Bestandteil einer Turbinenschaufel einer Turbomaschine, eines Ringsegments, einer Brennkammer ¬ wand oder dergleichen sein und dabei eine oder mehrere Reihen mit derartigen oder ähnlichen Filmkühllöcher 2, 20 aufweisen.

Die betreffenden Filmkühllöcher 2, 20 sind gegenüber den Oberflächen 16, 18 geneigt angeordnet. Jedes Filmkühlloch 2, 20 umfasst eine Einströmöffnung 22, welche in der zweiten Oberfläche 18 angeordnet ist. Durch diese Einströmöffnung 22 kann das kühlere Medium in das betreffende Filmkühlloch einströmen. Das eingeströmte Medium verlässt das betreffende Filmkühlloch 2, 20 durch eine in der ersten Oberfläche 16 angeordnete Ausströmöffnung 24.

Wie aus den Figuren 3 und 7 hervorgeht, reicht ein erster Längsabschnitt des Filmkühllochs 2, 20, nachfolgend Einström ¬ abschnitt 26 genannt, von der Einströmöffnung 22 bis zu einem Übergangspunkt 25 und weist dabei einen konstanten Durchströ- mungsdurchmesser d auf. Mittels dieses Durchmessers d ist die Durchflussmenge an austretendem Medium M K einstellbar. Ab dem Übergangspunkt 25 ändert sich neben der Größe des

durchströmbaren Querschnitts des Filmkühllochs auch dessen Kontur. In Bezug auf das das Filmkühlloch durchströmende küh- lere Medium M K folgt mithin unmittelbar stromab des Übergangspunkt 25 ein sich stetig verändernder Diffusorabschnitt 28, welcher sich bis zur Ausströmöffnung 24 erstreckt. Jedes Filmkühlloch besitzt eine virtuelle Längsachse LL, wel ¬ che sich durch die Mittelpunkte des Einströmabschnitts 26 er ¬ streckt und darüber hinaus verlängert. Die betreffenden Film ¬ kühllöcher 2, 20 sind gegenüber der ersten Oberfläche 16 der- art geneigt, dass die virtuelle zentrale Längsachse LL - in einer Querschnittbetrachtung durch die betreffende Wand 14 - mit einem stromauf liegenden Bereich 16a der zweiten Oberfläche 16 einen spitzen Neigungswinkel N einschließt. Längs der virtuellen Längsachse LL betrachtet weisen der

Einströmabschnitt 26 die Länge L cy i und der Diffusorabschnitt 28 die Länge L d i ff auf, die sich zu einer zur Lochlänge L zu ¬ sammenfassen lassen. Insbesondere der Diffusorabschnitt 28 des Filmkühllochs 2, 20 umfasst vier einzeln identifizierbare Seitenwände, die nach ¬ folgend als Umfangsabschnitte bezeichnet werden und längs des Umlaufs ineinander übergehen. Ein erster Umfangsabschnitt UA H weist einen geringeren Abstand zur ersten Oberfläche 16 auf und ist damit dem heißeren Medium M H zugewandt. Dieser Um- fangsabschnitt UA H endet einerseits an einer in Bezug auf das heißere Medium M H anströmseitigen Diffusorkante 34 und geht andererseits lateral beidseitig in jeweils einen seitlichen Umfangsabschnitt UA S i, UA S 2 über. Die beiden seitlichen Um- fangsabschnitte UA S i, UA S 2 gehen jeweils dann in einen gemein ¬ samen Umfangsabschnitt UA K über, der einen geringeren Abstand zur zweiten Oberfläche 18 aufweist und damit dem kühleren Me ¬ dium M K zugewandt ist. Der weitere Umfangsabschnitt UA K endet somit an einer in Bezug auf das heißere Medium M H

abströmseitigen Diffusorkante 30, die vorzugsweise im Wesent ¬ lichen geradlinig ist. Insgesamt lässt sich ein Abstand w bc zwischen anströmseitiger Diffusorkante 34 und abströmseitige Diffusorkante 30 ermitteln. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Wände der seit ¬ lichen Umfangsabschnitte UA S i, UA S 2 weitestgehend geradlinig ausgestaltet . In einer Querschnittbetrachtung (vgl. Fig. 1) schließt der dem kühleren Medium zugewandte Umfangsabschnitt UA K mit der virtuellen Längsachse LL einen so genannten Rücklagewinkel CX3 ein. Bei senkrechter Projektion (gemäß Fig. 3) auf die erste Oberfläche 16 kann ein Öffnungswinkel ßi jeweils zwischen den seitlichen Umfangsabschnitten UA S i, UA S 2 des

Diffusorabschnitts 28 und mit der virtuellen zentralen Längs ¬ achse LL erfasst werden.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die im Diffusorabschnitt 28 des Filmkühllochs 20 zunehmende Vergrößerung des Durch ¬ strömungsquerschnitts allein in einer Dimension (Lateralrichtungen LR) erfolgt. Dazu ist vorgesehen, dass der Rücklage- Winkel CX3 einen Wert zwischen 1° und 0° aufweist. Mithin er- folgt die Zunahme des Durchströmungsquerschnitts hauptsäch ¬ lich dadurch, dass die seitlichen Umfangsabschnitte UA S i, UA S 2 des Filmkühllochs 20 divergieren, wohingegen im

Diffusorabschnitt 28 der Abstand zwischen dem dem heißeren Medium M H zugewandten Umfangsabschnitt UA H und dem dem kühle- ren Medium M K zugewandten Umfangsabschnitt UA K an der

Ausströmöffnung 24 höchstens nur unwesentlich größer wird als der Durchmesser d des Einströmabschnitts 26.

Damit wird das Gebiet-Verhältnis (area-ratio) vergrößert: für einen gegebenen Massenstrom an kühlerem Medium durch das betreffende Filmkühlloch 20 kann die Strömungsgeschwindigkeit an der Ausströmöffnung 24 des Filmkühllochs 20 im Vergleich zu einem konventionellen Filmkühlloch 2 reduziert werden, wodurch die Tendenz des austretenden Strahls an kühlerem Medium M K zur Ablösung von der ersten Oberfläche 16 reduziert werden kann .

Bevorzugt ist die zwischen dem Übergangspunkt 25 und der Ausströmöffnung 24 erfassbare Länge L diff des

Diffusorabschnitts 28 größer als der 7-fache Durchmesser d des Einströmabschnitts 26. Damit wird erreicht, dass der Diffusorabschnitt vergleichse lang ist und sich somit hinrei ¬ chend aufweiten kann. Im Betrieb kann sich dann ein ver- gleichsweise breiter Kühlluftfilm ausbilden.

Mit besonderem Vorteil weist der Diffusorabschnitt 28 unmit ¬ telbar stromab des Übergangspunkts 25 - in einer Querschnitt ¬ betrachtung durch die betreffende Wand 14 - eine Diffusorhöhe h aufweist, die kleiner ist als der Durchmesser d des

Einströmabschnitts 26. Vorzugsweise ist sie kleiner als 50% des Durchmessers d. Dadurch beginnt der Diffusoreingang mit einer vergleichsweise sachten Diffusoraufweitung, was die Neigung der Kühlluftströmung zu Ablösungen verringert. Zudem beginnt die diffusorartige Aufweitung des Filmkühllochs 20 nicht an demjenigen Abschnitt des Umfangs des Filmkühllochs 20, welches der zweiten Oberfläche 18 am nächsten ist, son ¬ dern an den beiden seitlichen Abschnitten des Umfangs. Damit kann eine verlustärmere Auffächerung der Strömung im Inneren des Filmkühllochs 20 erreicht, da sich eine Druckverteilung einstellt, die weniger asymmetrisch, sondern eher

vergleichmäßigt ist.

Gleichfalls ist eine zur Strömungsrichtung des heißeren Medi- ums M H senkrecht erfassbare Breite B der Ausströmöffnung 24 größer als bei konventionellen Filmkühllöchern 2 mit vergleichbaren Diffusoröffnungsverhältnissen . Dies beeinflusst die gegenläufig rotierenden Wirbelpaare 23 positiv, welche gewöhnlich an den äußeren seitlichen Rändern der Ausströmöffnung 24, d.h. den gedachten Verlängerungen der seitlichen Umfangsabschnitten UA S i und UA S 2 auftreten. Gleichzeitig hat dies einen Einfluss erster Ordnung auf den Mi- schungsprozess von kühlerem Medium M K und heißerem Medium M H . Wie in Figur 5 gezeigt, kann der Abstand der beiden Schenkel der gegenläufig rotierenden Wirbelpaare 23 durch das vorge ¬ schlagene Design vergrößert werden. Dadurch wird das im Be ¬ reich der virtuellen zentralen Längsachsse LL ausströmende kühlere Medium M K weniger durch die gegenläufig rotierenden Wirbelpaare 23 beeinflusst, was die Durchmischung reduziert. Auch die Stärke der gegenläufig rotierenden Wirbelpaare 23 kann dadurch reduziert werden. Im Ergebnis führt dies zu ei ¬ ner vergrößerten Abdeckung der ersten Oberfläche 16 mit dem gewünschten Kühlluftfilm.

Weiter führt die größere Spreizung, d.h. der im Vergleich zum Stand der Technik vergrößerte Öffnungswinkel ßi des

Diffusorabschnitts 28 in zur Strömungsrichtung des heißeren Mediums M H senkrechter Richtung (Lateralrichtung LR) zu einer gleichmäßigeren Verteilung des kühleren Mediums M K an der Ausströmöffnung 24. Damit kann ein lokales Überkühlen der ersten Oberfläche 16 im zentralen Bereich der virtuellen Längsachse LL unmittelbar stromab der abströmseitigen

Diffusorkante 30 reduziert werden. Insgesamt kann damit die Kühlung vergleichmäßigt werden. Aus diesem Grunde ist der

Öffnungswinkel ßi nicht größer als 12°. Vorzugsweise liegt er bei 11,5°.

Vorzugsweise ist die anströmseitige Diffusorkante 34 symmet- risch gekrümmt ausgestaltet, wobei dessen mittlerer Bereich geringfügig weiter stromauf angeordnet ist als seine seitli ¬ chen Enden. Hierdurch lässt sich das Filmkühlloch 20 einfacher produzieren, da zuerst der Einströmabschnitt gebohrt und anschließend die Kontur des Diffusorabschnitts hergestellt werden kann.

Alle vorgenannten Vorteile führen insgesamt zu einem Anstieg der adiabatischen Filmkühlungwirksamkeit verglichen mit konventionellen Filmkühllöchern. Insbesondere weiter stromab des Filmkühllochs ist die durchschnittliche Filmkühlwirksamkeit des erfindungsgemäßen Filmkühllochs der Wirksamkeit von her ¬ kömmlichen Filmkühllöchern überlegen.

Insgesamt betrifft die Erfindung ein Filmkühlloch 20 von zu kühlenden Gasturbinen-Bauteilen, mit einem Einströmabschnitt 26 mit einem konstanten Durchströmungsquerschnitt, an dem sich ein Diffusorabschnitt 28 mit einem sich verändernden Durchströmungsquerschnitt anschließt. Um eine besondere effi ¬ ziente Filmkühllung bereitzustellen, wird vorgeschlagen, dass die Aufweitung des Diffusorbereichs 26 lediglich in lateraler Richtung LR erfolgt.