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    Ein Element, wie beispielsweise eine Gasturbinenschaufel, besitzt einen internen Kühlkanal, an dem entlang ein Kühlmittel strömen soll. Der Kühlkanal ist durch Seitenwände begrenzt, die eine erste Seitenwand (16 oder 17), die Rippen (47) trägt, die sich quer zur Längsrichtung des Kühlkanals erstrecken, und eine zweite Seitenwand (4 oder 6), angrenzend an die erste Seitenwand, beinhalten. Die zweite Seitenwand (4 oder 6) trägt eine Anordnung (4a oder 6a) von Rauheitselementen, die über mindestens einen gegebenen Bereich der zweiten Seitenwand verteilt sind und eine geringere Höhe als die Rippen (47) aufweisen.An element, such as a gas turbine blade, has an internal cooling channel, along which a coolant is to flow. The cooling channel is delimited by side walls which include a first side wall (16 or 17) which carries ribs (47) which extend transversely to the longitudinal direction of the cooling channel and a second side wall (4 or 6) adjacent to the first side wall , The second side wall (4 or 6) carries an arrangement (4a or 6a) of roughness elements which are distributed over at least a given area of the second side wall and have a lower height than the ribs (47).
    公开号:DE102004010747A1
    申请号:DE102004010747
    申请日:2004-03-05
    公开日:2004-10-07
    发明作者:Donald Frank Walker
    申请人:Alstom Technolgoy AG；
    IPC主号:F01D5-18
    专利说明:
    [0001] Die vorliegende Erfindung betrifftdie Verstärkungdes Wärmeübergangsin Kühldurchgängen, durchdie ein Kühlmittelströmensoll.The present invention relates tothe reinforcementof heat transferin cooling passes, throughwhich is a coolantstreamshould.
    [0002] Ein Element, beispielsweise eineGasturbinenschaufel, die sich in einer Hochtemperaturumgebung befindet,dadurch zu kühlen,daß einKühlmittel, beispielsweiseLuft, durch mindestens einen Kühldurchgangim Element geleitet wird, ist bekannt. Den Wärmeübergang zwischen dem Elementund dem Kühlmitteldadurch zu verstärken,daß dieOberfläche desKühldurchgangsaufgerauht wird oder turbulenzinduzierende Rippen im Kühldurchgangvorgesehen werden, ist ebenfalls bekannt. Es sind viele Methodenzur Verstärkungdes Wärmeübergangsvorgeschlagen worden, die alle mit Nachteilen verbunden sind, wiebeispielsweise eine schwierige und teure Herstellung, eine übermäßig konzentrierteoder lokalisierte Kühlwirkungoder ein höheresGewicht, woraus sich übermäßig hoheZentrifugalbeanspruchungen in rotierenden Teilen ergeben.An element, for example oneGas turbine blade located in a high temperature environmentby coolingthe existenceCoolant, for exampleAir, through at least one cooling passagein the element is known. The heat transfer between the elementand the coolantby reinforcingthat theSurface of theCooling passageis roughened or turbulence-inducing ribs in the cooling passageis also known. There are many methodsfor reinforcementof heat transferhave been proposed, all of which have disadvantages, such asfor example, a difficult and expensive manufacture, an overly concentrated oneor localized cooling effector higherWeight, resulting in excessively highCentrifugal stresses in rotating parts.
    [0003] Die 1 und 2 der beiliegenden Zeichnungenzeigen eine bekannte luftgekühlteTurbinenschaufel füreine Gasturbine. Die Schaufel beinhaltet einen Flügel 1 miteiner radialen Achse 2 und ist durch eine herkömmlicheTannenwurzel 3 mit einer (nicht dargestellten) Rotorscheibeverbunden. Die Rotorscheibe dreht sich in der durch die Pfeile 20 angezeigtenRichtung um ihre Achse 19, woraus sich eine Schaufelbewegungin der durch den Pfeil 21 angezeigten Richtung ergibt.Der Flügel 1 hateine konvexe Seitenwand 4 an der Vorlauf- oder Saugseite sowieeine konkave Seitenwand 6 an der Druckseite. Die Seitenwände- 4, 6 erstreckensich von einer Vorlaufkante 7 zu einer Nachlaufkante 8 desFlügels 1 understrecken sich in Längsrichtungvon einer Wurzel 9 zu einer Spitze 11 hin.The 1 and 2 the accompanying drawings show a known air-cooled turbine blade for a gas turbine. The shovel contains a wing 1 with a radial axis 2 and is due to a traditional fir root 3 connected to a rotor disk (not shown). The rotor disc turns in the direction of the arrows 20 displayed direction around its axis 19 , resulting in a shovel movement in the direction of the arrow 21 direction indicated. The wing 1 has a convex side wall 4 on the flow or suction side as well as a concave side wall 6 on the print side. The sidewalls 4 . 6 extend from a leading edge 7 to a trailing edge 8th of the wing 1 and extend longitudinally from a root 9 to a top 11 out.
    [0004] Die Turbinenschaufel beinhaltet eineninternen Durchgang zur Durchleitung von Druckluft als ein gas förmiges Kühlmittelzum Kühlendes Flügels 1. DasKühlmittelwird in herkömmlicherWeise von einem Verdichter der Gasturbine durch die Tannenwurzel 3 undradial in den Flügel 1 hineingeleitet.Der Durchgang beinhaltet einen Vorlaufkantenkanal 12a, dersich von der Wurzel 9 zur Spitze 11 hin erstreckt, wodas Kühlmittelin einen Mittelsehnenkanal 12b gelangt, in dem das Kühlmittelin Längsrichtungzur Wurzel 9 hin strömt,wo das Kühlmittelin einen Nachlaufkantenkanal 12c gelangt, der sich zurSpitze 11 hin erstreckt. Das Kühlmittel wird durch Nachlaufkantenöffnungen 13 undSpitzenöffnungen 14 ausdem Nachlaufkantenkanal 12c ausgetragen. Die Kanäle 12a bis 12c sinddurch Längsstege 16, 17 definiert, diesich zwischen den Flügelseitenwänden 4 und 6 erstrecken.The turbine blade includes an internal passageway for the passage of compressed air as a gaseous coolant for cooling the wing 1 , The coolant is conventionally drawn from a compressor of the gas turbine through the fir root 3 and radially in the wing 1 introduced therein. The passageway includes a leading edge channel 12a that is from the root 9 to the top 11 extends where the coolant into a mid-tendon channel 12b reaches, in which the coolant in the longitudinal direction to the root 9 flows where the coolant flows into a trailing edge channel 12c gets to the top 11 extends. The coolant is through trailing edge openings 13 and tip openings 14 from the trailing edge channel 12c discharged. The canals 12a to 12c are by longitudinal webs 16 . 17 defined that between the wing side walls 4 and 6 extend.
    [0005] Die vorliegende Erfindung stelltein Element mit einem internen Kühlkanalbereit, an dem entlang ein Kühlmittelströmensoll, wobei der Kühlkanal durchSeitenwändebegrenzt ist, die eine erste Seitenwand, die Rippen trägt, diesich quer zur Längsrichtungdes Kühlkanalserstrecken, und eine an die erste Seitenwand angrenzende zweiteSeitenwand beinhalten, wobei die zweite Seitenwand Rauheitselementeträgt,die übermindestens einen gegebenen Bereich der zweiten Seitenwand verteiltsind und eine geringere Höheals die Rippen aufweisen.The present invention providesan element with an internal cooling channelready along which a coolantstreamshould, with the cooling channel throughside wallsis limited, which is a first side wall that carries ribs thatitself transverse to the longitudinal directionof the cooling channelextend, and a second adjacent the first side wallInclude sidewall, the second sidewall roughness elementswearing,the abovedistributed at least a given area of the second side wallare and a lower heightthan the ribs have.
    [0006] Die Erfindung wird nunmehr lediglichbeispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben;dabei sind:The invention will now onlydescribed by way of example with reference to the accompanying drawings;are:
    [0007] 1 eineschematische perspektivische Ansicht, teilweise in Schnittdarstellung,einer bekannten Turbinenschaufel; 1 is a schematic perspective view, partly in section, of a known turbine blade;
    [0008] 2 eineSchnittansicht entlang der Linie II-II der 1; 2 a sectional view taken along the line II-II of 1 ;
    [0009] 3A eineschematische Schnittansicht durch einen Teil des Flügels einerTurbinenschaufel in Übereinstimmungmit der Erfindung, in einer Ebene senkrecht zur Drehachse der Rotorscheibe,wobei an den Stegen Rippen vorgesehen sind, die zur konkaven Seitenwanddes Flügelshin gekrümmtsind; 3A is a schematic sectional view through part of the blade of a turbine blade in accordance with the invention, in a plane perpendicular to the axis of rotation of the rotor disc, ribs being provided on the webs, which are curved toward the concave side wall of the blade;
    [0010] 3B eineschematische Schnittansicht entlang der Linie B-B der 3A; 3B is a schematic sectional view taken along line BB of the 3A ;
    [0011] 3C eineschematische Schnittansicht entlang der Linie C-C der 3A, in der die auf die Kühlmittelströmung einwirkendenCoriolis- und rippeninduzierten Kräfte dargestellt sind; 3C is a schematic sectional view taken along line CC of the 3A , in which the Coriolis and rib-induced forces acting on the coolant flow are shown;
    [0012] 3D eineAnsicht ähnlichwie 3C, die aber daszweite Strömungsfeldzeigt; die 4A–D ähnlich wie die 3A–D, die aber die zur konvexen Seitenwanddes Flügelshin gekrümmtenRippen zeigen; 3D a view similar to 3C , but which shows the second flow field; the 4A - D similar to that 3A - D which, however, show the ribs curved towards the convex side wall of the wing;
    [0013] 5 eineschematische Draufsicht eines Teils einer Reihe von Rauheitselementen; 5 a schematic plan view of part of a series of roughness elements;
    [0014] 6 eineAnsicht entlang der Linie VI-VI der 5;und 6 a view along the line VI-VI of 5 ; and
    [0015] 7 einegrafische Darstellung, die das Verhältnis äquivalenter Sandkornrauheitshöhe zur tatsächlichenRauheitshöheim Vergleich zu einem Rauheitsparameter zeigt. 7 a graphical representation showing the ratio of equivalent sand grain roughness height to the actual roughness height compared to a roughness parameter.
    [0016] In einem intern verrippten Flügel 1 einersich drehenden Turbinenschaufel erfolgt in einem in Längsrichtungverlaufenden Kühlkanalmit einem grundsätzlichrechtwinkligen Querschnitt, wie typischerweise durch den Kanal 12b dargestellt,die Wechselwirkung von drei Strömungsmechanismenin der Kühlströmung: dieprimäreStrömung 5 undzwei sekundäreStrömungen(bewirkt durch die Coriolis-Beschleunigung und durch verrippte Wände). Die druckangetriebeneprimäreStrömung 5 istdie dominierende Strömungim Kühlkanal 12b.In an internally ribbed wing 1 A rotating turbine blade takes place in a longitudinally extending cooling duct with a generally rectangular cross-section, as typically through the duct 12b illustrated the interaction of three flow mechanisms in the cooling flow: the primary flow 5 and two secondary currents (caused by Coriolis acceleration and by ribbed walls). The pressure driven primary flow 5 is the dominant flow in the cooling channel 12b ,
    [0017] Die Veränderung der Coriolis-Trägheitswirkungim Kühlkanal 12b verursachtsekundäreStrömungeninnerhalb dieses Kanals. Fürein Kühlgaspartikelergibt sich die Coriolis-Beschleunigungskomponente C im Verhältnis zueinem sich mit dem Rotor drehenden Bezugssystem aus: C = 2 Ω v, wobei Ω = Winkelgeschwindigkeitder Rotordrehung und v = lokale radiale Komponente der Kühlströ mungsgeschwindigkeit.Da v in der Grenzschicht Null beträgt und innerhalb der Hauptströmung einenMaximalwert erreicht, variiert C gleichermaßen im Strom, woraus sich einePumpwirkung ergibt, die das Zentrum der Strömung nach oben zur konvexenSeitenwand 4 hin zwingt. Dies verursacht ein Paar gegendrehenderWirbel, wobei deren Achsen entlang einer Linie parallel zur Drehachse 19 liegen.Wenn die druckangetriebene primäreStrömung 5 aufan einer Wand eines Kühlkanalsbefestigte Querrippen trifft, neigen bei Abwesenheit einer Flügeldrehungdie sekundärenStrömungenin der Nähe dieserWand dazu, entlang den Rippen (d.h. quer zur Längsrichtung) zu strömen.The change in the Coriolis inertia effect in the cooling channel 12b causes secondary currents within this channel. For a cooling gas p article, the Coriolis acceleration component C results in relation to a reference system rotating with the rotor: C = 2 Ω v, where Ω = angular velocity of the rotor rotation and v = local radial component of the cooling flow velocity. Since v is zero in the boundary layer and reaches a maximum value within the main flow, C also varies in the flow, which results in a pumping action that points the center of the flow upward to the convex side wall 4 forces. This causes a pair of counter-rotating vortices, their axes along a line parallel to the axis of rotation 19 lie. If the pressure driven primary flow 5 meets transverse fins attached to a wall of a cooling duct, in the absence of wing rotation, the secondary currents near this wall tend to flow along the fins (ie transverse to the longitudinal direction).
    [0018] Mit an den Flügelseitenwänden 4, 6 (nicht wiedargestellt) befestigten Rippen werden zwei starke, längliche,gegendrehende Wirbel gebildet, wobei deren Achsen übereinanderliegen.Wenn die druckangetriebene primäreStrömung 5 aneiner Wand befestigte abgeschrägteRippen 47 (3A–D) oder 51 (4A–D)passiert, nehmen in Abwesenheit einer Flügeldrehung die Strömungen 10 inder Nähedieser Wand sehr schnell die Abschrägung der Rippen (d.h. den Winkelim Verhältnis zurLängsrichtung)an. Wenn die Rippen 47 oder 51 an den Stegen 16, 17 befestigtsind, wie in den 4A–D und 5A–D dargestellt, liegen dieAchsen der Wirbel seitlich zueinander entlang einer Linie parallelzu den Flügelstirnflächen, aberabhängigvon der Abschrägungsrichtungerfolgen die Wandströmungenzu den konvexen bzw. konkaven Flügeloberflächen 4 bzw. 6 hin.Die Rippen 47 oder 51 sind an beiden gegenüberliegendenWänden 16, 17 indirekt gegenüberliegendenPositionen und mit der gleichen Abschrägung vorgesehen, so daß sie vonder Seite aus betrachtet als übereinanderliegenderscheinen.With on the wing side walls 4 . 6 (not as shown) attached ribs are formed two strong, elongated, counter-rotating vertebrae, the axes of which lie one above the other. If the pressure driven primary flow 5 bevelled ribs attached to a wall 47 ( 3A - D ) or 51 ( 4A - D ) happens, the currents take place in the absence of a wing rotation 10 near this wall very quickly the bevelling of the ribs (ie the angle in relation to the longitudinal direction). If the ribs 47 or 51 on the piers 16 . 17 are attached, as in the 4A - D and 5A - D shown, the axes of the vertebrae lie laterally to each other along a line parallel to the wing end faces, but depending on the direction of the bevel, the wall flows to the convex or concave wing surfaces occur 4 respectively. 6 out. Ribs 47 or 51 are on both opposite walls 16 . 17 provided in directly opposite positions and with the same bevel so that when viewed from the side they appear as one above the other.
    [0019] Wenn die Rippen an den Stegen 16, 17,anstatt an den Flügelwänden, plaziertund die Rippen 47 so ausgebildet sind, daß sie zurkonkaven Flügeloberfläche (Winkel 45)hin, wie in den 3A–D dargestellt, gekrümmt sind,hat dies Co-Coriolis-(49)-Kräfte 48 undein glattes Vermischen der beiden Rippenströme mit den Coriolis-Strömen zurFolge, so daß einsymmetrisches Paar länglicherWirbel 50 ohne die vorstehend erwähnten "Totwasser"-Bereiche gebildet wird. Daraus resultierenstärkereWirbel und ein verstärkterWärmeübergangauf die Flügelwände sowiegeringere Kühlmittelpumpverluste.If the ribs on the webs 16 . 17 , rather than placed on the wing walls, and the ribs 47 are designed to face the concave wing surface (angle 45 ) as in the 3A - D are curved, this has Co-Coriolis (49) forces 48 and a smooth mixing of the two fin currents with the Coriolis currents, so that a symmetrical pair of elongated vortices 50 without the "dead water" areas mentioned above. This results in stronger eddies and increased heat transfer to the wing walls and lower coolant pump losses.
    [0020] Obwohl, wenn die Rippen 51 zurkonvexen Flügeloberfläche (Abschrägungswinkel 46 in 4A) hin gekrümmt ausgeführt sind,Kräfte 52 bewirktwerden, von denen erwartet werden kann, daß sie den Coriolis-Kräften 49 entgegenwirken,geht die Konfiguration von zwei Wirbeln auf vier Wirbel über, wiein 4D dargestellt, unddies hat, bei den gleichen Kühlluftpumpverlusten,einen noch größeren Wärmeübergangzur Folge.Although if the ribs 51 to the convex wing surface (bevel angle 46 in 4A ) are curved, forces 52 caused by the Coriolis forces 49 counteract, the configuration changes from two vertebrae to four vertebrae, as in 4D shown, and this results in an even greater heat transfer with the same cooling air pump losses.
    [0021] In den 3A und 4A betragen die Abschrägungswinkel 45 und 46 derRippen 47 und 51 etwa 52°, die Abschrägungswinkel können abergrößer oderkleiner sein, wobei der bevorzugte Bereich 30° bis 60° und der besonders bevorzugteBereich 35° bis55° beträgt. DieRippen verlaufen vorzugsweise parallel zueinander, es kann aberSituationen geben, in denen der Abschrägungswinkel zwischen aufeinanderfolgendenRippen variieren, eventuell in der Richtung der primären Strömung 5 desKühlmittels abnehmen(oder zunehmen) kann. Obwohl gerade Rippen dargestellt sind, sindSituationen vorstellbar, in denen nicht lineare (z.B. bogen- odersinusförmige)Rippen vorteilhaft verwendet werden können. In einem von zwei Stegenbegrenzten Kühlkanalist es fürbeide Stege vorteilhaft, wenn sie mit Rippen ausgestattet sind,wie vorstehend beschrieben; nur an einem der Stege vorgesehene Rippenwürdenjedoch einen gewissen Vorteil bieten. Am Vorlauf- und Nachlaufendedes Flügelsist ein Kühlkanaldurch einen einzelnen Steg begrenzt, der vorzugsweise mit abgeschrägten Rippenausgestattet ist, wie vorstehend beschrieben. Die Rippen sind vorzugsweiseentlang den Kühlkanälen mitgleichem Abstand vorgesehen. Eine geringe zusätzliche Leis tungsverbesserungläßt sichmöglicherweisedadurch erzielen, daß dieRippen an einer Stegwand in der (radialen) Längsrichtung im Verhältnis zudenjenigen an der gegenüberliegendenWand versetzt vorgesehen werden.In the 3A and 4A are the bevel angles 45 and 46 the ribs 47 and 51 about 52 °, but the bevel angles can be larger or smaller, the preferred range being 30 ° to 60 ° and the particularly preferred range being 35 ° to 55 °. The fins are preferably parallel to one another, but there may be situations in which the bevel angle varies between successive fins, possibly in the direction of the primary flow 5 coolant may decrease (or increase). Although straight ribs are shown, situations are conceivable in which non-linear (for example arc-shaped or sinusoidal) ribs can advantageously be used. In a cooling channel delimited by two webs, it is advantageous for both webs if they are equipped with fins, as described above; however, ribs provided on only one of the webs would offer a certain advantage. At the leading and trailing ends of the wing, a cooling channel is delimited by a single web, which is preferably equipped with bevelled ribs, as described above. The ribs are preferably provided at the same distance along the cooling channels. A small additional performance improvement can possibly be achieved by providing the ribs on one web wall offset in the (radial) longitudinal direction in relation to those on the opposite wall.
    [0022] Wie schematisch in den 3A–D und 4A–D dargestellt,sind die Seitenwände,die die Rippen 47 oder 51 nicht tragen, d.h. dieangrenzenden Seitenwände 4 und 6,mit Reihen 4a und 6a von Rauheitselementen ausgestattet,die füreine Rauheit sorgen, die derjenigen entspricht, die durch Verteilungvon Sandkörnern über dieSeitenwände(als äquivalente Sandkörnerrauheitoder ESGR bezeichnet) erzielt werden würde. Die Rippen bewirken dünne Turbulenz-,Wärme-und Bewegungsenergie-Grenzschichten(aufgrund der sekundärenStrömungen)und lassen dann turbulente Schichten mit freier Scherung, die dieRauheit durchspülen,fließen,wodurch zusätzlichekleinere Wirbelstrukturen und dennoch größere Turbulenzen erzeugt werden,so daß derWärmeübergangerhöhtwird. Eine zusätzlicheVerstärkungswirkungan den Coriolis-Druckoberflächenergibt sich aus dem destabilisierenden Einfluß der Coriolis-Kraft auf dieGrenzschichtturbulenz.As schematically in the 3A - D and 4A - D Shown are the side walls that make up the ribs 47 or 51 do not wear, ie the adjacent side walls 4 and 6 , with rows 4a and 6a roughness elements that provide a roughness equivalent to that which would be obtained by spreading grains of sand over the side walls (referred to as equivalent sand grain roughness or ESGR). The fins create thin layers of turbulence, heat and kinetic energy (due to the secondary currents) and then flow free-shear turbulent layers that sweep through the roughness, creating additional smaller vortex structures and yet greater turbulence, so that heat transfer is increased. An additional reinforcing effect on the Coriolis pressure surfaces results from the destabilizing influence of the Coriolis force on the boundary layer turbulence.
    [0023] Der Kühlkanal 12b kann beispielsweiseeine durchschnittliche Breite von etwa 10 mm bis etwa 50 mm aufweisen.Die Rippen 47 oder 51 können beispielsweise eine Höhe im Bereichvon 2 mm bis 4 mm aufweisen und 10 mm bis 30 mm voneinander beabstandetsein. Die Rauheitselemente der Reihe 4a oder 6a habeneine geringere Höheals die Rippen, vorzugsweise 4% bis 20% der Rippenhöhe, wobei dieHöhe derRauheitselemente typischerweise im Bereich von etwa 0,1 mm bis etwa0,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 0,5 mm, liegt.The cooling channel 12b can have an average width of about 10 mm to about 50 mm, for example. Ribs 47 or 51 can for example have a height in the range of 2 mm to 4 mm and be spaced 10 mm to 30 mm apart. The roughness elements of the series 4a or 6a have a lower height than the ribs, preferably 4% to 20% of the rib height, the height of the roughness elements typically being in the range from approximately 0.1 mm to approximately 0.5 mm between 0.1 mm and 0.5 mm.
    [0024] Mit einem typischen Kühlkanaleines Gasturbinenmotors sollte eine beliebige Reihe von Rauheitselementen,die eine ESGR von 0,45 mm ergibt, eine Erhöhung der Wärmeübergangszahl von 100% (im Verhältnis zuderjenigen einer nur mit Rippen vorgesehenen Ausführung) undauch eine Erhöhung desWärmeübergangswirkungsgradsbe wirken. Es gibt viele Oberflächenformen,die eine geeignete ESGR ergeben könnten: Zylinder (an ihren Enden befestigt),Konen, Pyramiden (an ihren Grundflächen befestigt, die eine beliebigeregelmäßige oderunregelmäßige polygonaleForm aufweisen können),kugelige Elemente (insbesondere Halbkugeln) sowie rechtwinkligeQuader (insbesondere Würfel).Jede Variante kann ein unterschiedliches Höhen-/Längen-Verhältnis aufweisen, und der Abstandkann entweder eng oder weit sein. Es können zwei oder mehrere unterschiedlicheFormen in der Reihe gemischt werden, und dies kann regelmäßig, unregelmäßig oderwillkürlicherfolgen. Einschränkungen,die sich durch die Betriebsbedingungen einer Gasturbinenschaufelergeben, bestehen darin, daß dieElemente nicht zu hoch sein sollten (um Zentrifugalbiegebeanspruchungenzu reduzieren) und sich zwischen den Elementen eine glatt angepaßte Anschlußfläche befindensollte (um das Risiko von Beanspruchungskonzentrationen und Rißausbreitungenzu reduzieren).With a typical cooling ducta gas turbine engine should have any number of roughness elements,which results in an ESGR of 0.45 mm, an increase in the heat transfer coefficient of 100% (in relation tothat of a version provided only with ribs) andalso an increase inHeat transfer efficiencycause. There are many surface shapeswhich could result in a suitable ESGR: cylinders (attached to their ends),Cones, pyramids (attached to their bases, any oneregular orirregular polygonalCan have shape),spherical elements (especially hemispheres) and rectangular elementsCuboid (especially cubes).Each variant can have a different height / length ratio, and the distancecan either be narrow or wide. There can be two or more different onesShapes can be mixed in series and this can be regular, irregular orarbitrarilyrespectively. Limitations,which is determined by the operating conditions of a gas turbine bladeresult in the fact that theElements should not be too high (for centrifugal bending stressesto reduce) and there is a smoothly adapted connecting surface between the elementsshould (to reduce the risk of stress concentrations and crack propagationto reduce).
    [0025] Es gibt viele Herstellungsverfahren,die angewendet werden können,um die Reihe von Rauheitselementen zu bilden, das Gießverfahren(üblicherweiseGenaugießenoder Wachsausschmelzgießen)ist normalerweise jedoch das am besten geeignete Verfahren. AnderemöglicheVerfahren sind: elektrochemische Bearbeitung (ECM), elektro-erosiveBearbeitung (EDM oder Funkenerosion), Beschichtung (elektrolytischeBeschichtung mit Einschlüssen),Kugelstrahlen, Schleuderkugelstrahlen sowie Ätzen.There are many manufacturing processesthat can be appliedto form the series of roughness elements, the casting process(usuallyJust castingor lost wax casting)however, is usually the most appropriate method. OtherpossibleProcesses are: electrochemical processing (ECM), electro-erosiveMachining (EDM or spark erosion), coating (electrolyticCoating with inclusions),Shot peening, shot peening and etching.
    [0026] Die 5 und 6 zeigen eine repräsentative Oberflächenrauheitin der Form gleichmäßig verteilterRauheitselemente in der Form rechtwinkliger Pyramiden. Aufgrundder Symmetrie läßt sichdie gesamte Oberflächedurch den im Innern des Rechtecks gezeigten Bereich, markiert durchdie strichpunktierte Linie in 5,darstellen. e = Pyramidenhöhe; p= Steigung quer zur Nennkühlmittelströmungsrichtung; q= Steigung in der Nennströmungsrichtung; a= Pyramidengrundflächenlänge querzur Nennströmungsrichtung; b= Pyramidengrundflächenlänge in derNennströmungsrichtung; Sist die nicht von den Rauheitselementen eingenommene planare Fläche, diein 5 schattiert dargestelltist; Sf ist die Gesamtfläche derRauheitselemente, projiziert auf eine Ebene senkrecht zur Nennströmungsrichtung; As ist die windseitige benetzte Oberfläche eineseinzelnen Rauheitselements; Af istdie Oberflächeeines einzelnen Rauheitselements, projiziert auf eine Ebene senkrechtzur Nennströmungsrichtung; EinRauheits-(Abstands-/Form-)-Parameter Λ5 istdefiniert als: Λs =(S/Sf)·(As/Af)1,6; Gleichung 1ks = äquivalenteSandkornoberflächenrauheitshöhe (definiertals die Höhevon Sandkörnern,die die gleichen Oberflächenreibungskoeffizientenin internen Durchgängenwie die gerade bewertete Rauheit ergeben); und k = tatsächlicheRauheitshöhe.The 5 and 6 show a representative surface roughness in the form of uniformly distributed roughness elements in the form of rectangular pyramids. Due to the symmetry, the entire surface can be marked by the area shown inside the rectangle, marked by the dash-dotted line in 5 , represent. e = pyramid height; p = slope transverse to the nominal coolant flow direction; q = slope in the nominal flow direction; a = pyramid base length transverse to the nominal flow direction; b = pyramid base length in the nominal flow direction; S is the planar area not occupied by the roughness elements, which in 5 is shown shaded; S f is the total area of the roughness elements, projected onto a plane perpendicular to the nominal flow direction; A s is the wind-wetted surface of a single roughness element; A f is the surface of a single roughness element, projected onto a plane perpendicular to the nominal flow direction; A roughness (distance / shape) parameter Λ 5 is defined as: Λ s = (S / S f ) * (A s / A f ) 1.6 ; Equation 1 k s = equivalent sand grain surface roughness height (defined as the height of grains of sand giving the same surface friction coefficients in internal passages as the roughness just evaluated); and k = actual roughness.
    [0027] In Experimenten (Sigal und Danberg,1988 und 1990) wurde festgestellt, daß ks/k = 1,583 × 10–5 × Λs5,683 für Λs < 7,842) = 1,802 × Λs0,03038 für7,842 < Λs < 28,12) = 255,5 × Λs–1,454 für 28,12 < Λs) Gleichung 2 Experiments (Sigal and Danberg, 1988 and 1990) found that k s / k = 1.583 x 10 -5 × Λ s 5,683 for Λ s <7.842) = 1.802 × Λ s 0.03038 for 7.842 <Λ s <28.12) = 255.5 × Λ s - 1,454 for 28.12 <Λ s ) Equation 2
    [0028] 7 zeigtdiese Funktion in grafischer Darstellung. 7 shows this function in graphical representation.
    [0029] Die vorliegende Erfinderin schlägt eineGeometrie zur Anwendung in einem Kühlkanal eines Gasturbinenmotorsmit den folgenden Verhältnissen vor:p = q = 4e, p' =q' = 2e, a = b =e, woraus sich folgendes ergibt: S = 14e2 Sf = e2 As = e2 50,5/4 Af = e2/2 AusGleichung 1: ΛS = 16,73. Aus Gleichung 2: ks/k = 1,963.The present inventor proposes a geometry for use in a cooling duct of a gas turbine engine with the following relationships: p = q = 4e, p '= q' = 2e, a = b = e, from which the following results: S = 14e 2 S f = e 2 A s = e 2 5 0.5 / 4 A f = e 2/2 From equation 1: Λ S = 16.73. From equation 2: k s / k = 1.963.
    [0030] Dieser Wert liegt, wie aus 7 ersichtlich, nahe am Maximumund ist daher vom Standpunkt der Rauheitshöhe ein guter Wert für eine sichdrehende Turbinenschaufel.This value is, as from 7 visible, close to the maximum and is therefore a good value for a rotating turbine blade from the standpoint of the roughness height.
    [0031] Füreinen Kühlkanaleiner Gasturbinenschaufel, der einen quadratischen Querschnitt von 25,4mm aufweist, mit Rippen ausgestattet ist, die einen quadratischenQuerschnitt von 2,54 mm aufweisen und mit einem Abschrägungswinkelvon 45° an denStegen mit einer Steigung von 25,4 mm befestigt sind, und bei demdie Rauheitselemente an den inneren Flügeloberflächen vorgesehen sind, hat dievorliegende Erfinderin, füreine Reynoldsche Zahl für denKanal von 30000 und eine Rotationszahl von 0,3, errechnet, daß die folgendenAbmessungen der optimalen Wärmeübergangszahl,dem optimalen Wirkungsgrad und optimalen Konstruktionseigenschaftennahekommen e = 0,45 mm, a = b = 0,45 mm, p = q =1,8 mm.For a cooling duct of a gas turbine blade, which has a square cross section of 25.4 mm, is equipped with ribs which have a square cross section of 2.54 mm and with a bevel angle of 45 ° on the webs with a pitch of 25.4 mm are fixed, and in which the roughness elements are provided on the inner wing surfaces, the present inventor, for a Reynolds number for the channel of 30,000 and a rotation number of 0.3, calculated that the following dimensions of the optimal heat transfer number, the optimal efficiency and optimal design properties e = 0.45 mm, a = b = 0.45 mm, p = q = 1.8 mm.
    [0032] Es sei darauf hingewiesen, daß die 5 und 6 stilisierte und idealisierte Darstellungender Anordnung von Spitzen sind, die die Rauheit des Oberflächenbereichsdarstellen. Die Reihe ist nicht notwendigerweise regelmäßig, diePyramiden sind nicht notwendigerweise richtige Pyramiden, und ihre Grundflächen sindnicht notwendigerweise Quadrate, gleichseitige Dreiecke oder regelmäßige Vielecke. Pyramidenunterschiedlicher Form könnengemischt werden. Die Spitzen haben nicht notwendigerweise alle diegleiche Höhe.Alle Parameter könnenabsichtlich, willkürlichoder pseudowillkürlich variiert werden.In der Praxis sind die Spitzen mit den Ecken der Sandkörner vergleichbar,die überden gesamten Oberflächenbereichverteilt sind.It should be noted that the 5 and 6 are stylized and idealized representations of the arrangement of tips that represent the roughness of the surface area. The series is not necessarily regular, the pyramids are not necessarily true pyramids, and their bases are not necessarily squares, equilateral triangles, or regular polygons. Pyramids of different shapes can be mixed. The peaks do not necessarily all have the same height. All parameters can be varied intentionally, arbitrarily or pseudo-arbitrarily. In practice, the tips are comparable to the corners of the grains of sand, which are distributed over the entire surface area.
    [0033] Das Hindurchragen vieler Spitzendurch eine laminare Unterschicht und ihr Hineinragen in einen Übergangsbereichoder einen vollständigturbulenten Bereich eines strömendenKühlmittelsstellen einen extrem wirksamen Wärmeübergangvom Oberflächenbereichzur Hauptkühlmittelströmung sicher.Die Rauheit läßt sicheinfach und billig herstellen, und an der Oberfläche der Gießform müssen lediglich einfache Hinzufügungen vorgenommenwerden. Durch Aufrauhen von nur einer Seitenwand oder einigen der Seitenwände einesKühlkanalswerden der Druckverlust minimiert und der Wärmeübergangswirkungsgrad maximiert.Putting through many peaksthrough a laminar underlayer and its protrusion into a transition areaor one completelyturbulent area of a flowingrefrigerantprovide an extremely effective heat transferfrom the surface areato the main coolant flow safely.The roughness can besimple and inexpensive to manufacture, and only simple additions need be made to the surface of the moldbecome. By roughening only one side wall or some of the side walls onecooling channelpressure loss is minimized and heat transfer efficiency is maximized.
    [0034] Es ist möglich, die Verteilung und dieHöhe derRauheitselemente maßgeschneidertan die lokalen Wärmeübergangserfordernisseanzupassen, woraus sich die Gelegenheit ergibt, eine Konzentration derKühlwirkungzu vermeiden, um die thermischen Beanspruchungen im gekühlten Elementzu reduzieren.It is possible the distribution and theheight ofRoughness elements tailor-madeto the local heat transfer requirementsadapt, which gives the opportunity to concentrate thecooling effectto avoid the thermal stresses in the cooled elementto reduce.
    [0035] Der vorstehend unter Bezugnahme aufdie 3A–D und 4A–D beschriebene Kühlkanalentspricht dem in 2 gezeigtenKanal 12b, und dieser Kanal weist Rippen an den Stegwänden undRauheitselemente an den Flügelwänden auf.Jeder der anderen beiden Kanäle 12a und 12c,die allgemein mit dreieckigem Querschnitt ausgeführt sind, ist gleichermaßen mitRippen an der einzelnen Stegwand und mit Rauheitselementen an denFlügelwänden ausgestattet.The above with reference to the 3A - D and 4A - D Cooling channel described corresponds to that in 2 shown channel 12b , and this channel has ribs on the web walls and roughness elements on the wing walls. Each of the other two channels 12a and 12c , which are generally designed with a triangular cross section, are equally equipped with ribs on the individual web wall and with roughness elements on the wing walls.
    [0036] Obwohl der Kühlkanal für eine Anwendung in einer Gasturbinenschaufelbeschrieben wurde, kann der Kühlkanalin einem beliebigen Element verwendet werden, das einer Hochtemperaturumgebung ausgesetztist. Der Kühlkanalkann eine beliebige passende Querschnittsform aufweisen, wobei Rippenan mindestens einer Wand und Rauheitselemente an mindestens einerangrenzenden Wand vorgesehen sind. Der oder jeder Bereich, der vonden Rauheitselementen und/oder den Rippen eingenommen wird, kannein Abschnitt der Flächeeiner Wand sein.Although the cooling duct for use in a gas turbine bladehas been described, the cooling channelcan be used in any element that is exposed to a high temperature environmentis. The cooling channelcan have any suitable cross-sectional shape, with ribson at least one wall and roughness elements on at least oneadjacent wall are provided. The or each area covered bythe roughness elements and / or the ribs can be takena section of the areabe on a wall.
    权利要求:
    Claims (14)
    [1]
    Element mit einem internen Kühlkanal, an dem entlang einKühlmittelströmensoll, wobei der Kühlkanaldurch Seitenwändebegrenzt ist, die eine erste Seitenwand, die Rippen trägt, diesich quer zur Längsrichtungdes Kühlkanalserstrecken, und eine zweite Seitenwand angrenzend an die erste Seitenwandbeinhalten, wobei die zweite Seitenwand Rauheitselemente trägt, die über mindestenseinen gegebenen Bereich der zweiten Seitenwand verteilt sind undeine geringere Höheals die Rippen aufweisen.Element with an internal cooling duct along which acoolantstreamsupposed to be the cooling ductthrough side wallsis limited, which is a first side wall that carries ribs thatitself transverse to the longitudinal directionof the cooling channelextend, and a second side wall adjacent to the first side wallinclude, wherein the second side wall carries roughness elements that over at leasta given area of the second side wall is distributed anda lower heightthan the ribs have.
    [2]
    Element nach Anspruch 1, bei dem die Höhe der Rauheitselemente4% bis 20% der Höheder Rippen beträgt.The element of claim 1, wherein the height of the roughness elements4% to 20% of the amountthe ribs is.
    [3]
    Element nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Abmessungender Rauheitselemente in der Längsrichtungund in der Querrichtung mit rechten Winkeln zur Längsrichtungim wesentlichen der Höheder Rauheitselemente entsprechen.Element according to claim 1 or 2, wherein the dimensionsof the roughness elements in the longitudinal directionand in the transverse direction at right angles to the longitudinal directionessentially the heightcorrespond to the roughness elements.
    [4]
    Element nach einem der vorstehend aufgeführten Ansprüche, beidem die Rauheitselemente sowohl in der Längsrichtung als auch in derQuerrichtung mit rechten Winkeln zur Längsrichtung voneinander mitSteigungen beabstandet sind, die mindestens dem Doppelten der jeweiligenAbmessungen der Rauheitselemente in den jeweiligen Richtungen entsprechen.Element according to one of the preceding claims,which the roughness elements both in the longitudinal direction and in theTransverse direction with right angles to the longitudinal direction from each otherGradients are spaced at least twice the respectiveDimensions of the roughness elements correspond in the respective directions.
    [5]
    Element nach einem der vorstehend aufgeführten Ansprüche, beidem die Rauheitselemente aus Zylindern, Konen, Pyramiden und rechtwinkligen Quadernausgewähltsind.Element according to one of the preceding claims,which the roughness elements made of cylinders, cones, pyramids and rectangular cuboidsselectedare.
    [6]
    Element nach einem der vorstehend aufgeführten Ansprüche, beidem die Rauheitselemente eine im wesentlichen regelmäßige zweidimensionale Reihedarstellen.Element according to one of the preceding claims,which the roughness elements an essentially regular two-dimensional rowrepresent.
    [7]
    Element nach Anspruch 6, bei dem die Rauheitselementequadratische Pyramiden sind.The element of claim 6, wherein the roughness elementsare square pyramids.
    [8]
    Element nach einem der vorstehend aufgeführten Ansprüche, beidem die zweite Seitenwand eine Außenwand des Elements ist.Element according to one of the preceding claims,which the second side wall is an outer wall of the element.
    [9]
    Element nach einem der vorstehend aufgeführten Ansprüche, beidem die Rippen an der ersten Seitenwand im Verhältnis zur Längsrichtung im gleichen Sinneabgeschrägtsind.Element according to one of the preceding claims,which the ribs on the first side wall in relation to the longitudinal direction in the same sensebevelledare.
    [10]
    Element nach Anspruch 9, bei dem die abgeschrägten Rippenin einem Winkel von 30° bis60° zur Längsrichtungvorgesehen sind.The element of claim 9, wherein the tapered ribsat an angle of 30 ° to60 ° to the longitudinal directionare provided.
    [11]
    Element nach einem der vorstehend aufgeführten Ansprüche, wobeidas Element eine Gasturbinenschaufel ist.Element according to one of the preceding claims, whereinthe element is a gas turbine blade.
    [12]
    Element nach Anspruch 11, bei dem die Höhe der Rauheitselementeim Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm liegt.The element of claim 11, wherein the height of the roughness elements ranges from 0.1 mm to 0.5 mm lies.
    [13]
    Element nach Anspruch 11 oder 12, bei dem die Höhe der Rippenim Bereich von 2 mm bis 4 mm liegt.The element of claim 11 or 12, wherein the height of the ribsis in the range of 2 mm to 4 mm.
    [14]
    Element mit einem internen Kühlkanal, der im wesentlichenso ausgeführtist, wie unter Bezugnahme auf die 3A–D oder 4A–D der beiliegenden Zeichnungenbeschrieben.Element with an internal cooling channel, which is essentially designed as with reference to the 3A - D or 4A - D of the accompanying drawings.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    GB0305458D0|2003-04-16|
    GB2399405A|2004-09-15|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
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