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Technisches
Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein kühlbares
Bauteil gemäss
dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Bauteile sind besonders
für die
Verwendung im Heissgaspfad von Gasturbinen, insbesondere als Schaufeln
und als Wandelemente, geeignet. Die Wandelemente kommen bevorzugt
als Brennkammer-Wandelemente von Gasturbinen zum Einsatz. Es werden
weiterhin Verfahren zur Auslegung und zur Herstellung erfindungsgemässer gekühlter Bauteile
beschrieben.
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Bei thermisch hochbelasteten Komponenten,
wie sie insbesondere in Gasturbinen auftreten, ist es nach dem Stand
der Technik bekannt, in den Komponenten, oder auf deren Oberfläche, kühlmitteldurchströmte Kanäle vorzusehen.
Während
im Betrieb von einer Heissgasseite Wärme in die Komponente eingebracht
wird, nimmt ein die Kühlkanäle durchströmendes Kühlmittel
Wärme aus
der Komponente auf, und verhindert so eine Überhitzung der Komponente.
Zielsetzung des Konstrukteurs muss es sein, den heissgasseitigen
Wärmeeintrag
durch die Verwendung von Isolationsmaterialien wie TBC-Schutzschichten
oder durch Filmkühlung
zu vermindern und andererseits den kühlungsseitigen Wärmeübergang anzufachen.
Bekannt ist beispielsweise die Verwendung von Rippen, wie in der
EP 825 332 beschrieben, oder
von Pins, wie aus der
DE 196 54
115 bekannt, welche in die kühlmittelführenden Kanäle hineinragen, und insbesondere
Turbulenz induzieren, welche den Queraustausch in der Strömung und
damit die Wärmeableitung
vom Bauteil intensivieren. Die dort beschriebenen Elemente führen allerdings
zu einer vergleichsweise grossen Versperrung der Kühlkanäle. Auch
die erzeugten Wirbel sind bezogen auf die Kühlkanaldimensionen gross. Zusammen
führt dies
zu erheblichen Druckverlusten in den Kühlkanälen. Als Kühlmittel wird bei Gasturbinen normalerweise
vom Verdichter vorverdichtete Luft verwendet. Aus verschiedenen
Gründen,
wie beispielsweise dem Wirkungsgrad, steht nur eine begrenzte Kühlluftmenge
zur Verfügung,
und ebenso nur ein begrenztes Druckgefälle zum Antrieb der Kühlluftströmung. Dem
Konstrukteur stellt sich damit die Aufgabe, einen erhöhten Wärmeübergang
bei gleichzeitig geringen Druckverlusten der Kühlströmung zu erreichen.
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EP
945 201 lehrt, Kühlkanäle mit rauhen Wänden auszuführen. Der
dort beschriebenen Lehre liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei
den hohen Reynoldszahlen, die in Kühlkanälen von Gasturbinen auftreten – typischerweise
um 60 000 – 200
000 in Kühlkanälen von
Schaufeln und beispielsweise 300 000 und darüber bei der Kühlung von
Brennkammern – ohnehin
eine vollständig
turbulente Strömung
mit Queraustausch vorliegt, die allerdings in unmittelbarer Wandnähe von einer
laminaren Unterschicht unterlegt ist, die den Queraustausch von
Wärme zwischen
der Kernströmung
im Kühlkanal
und der Wand behindert. Die dort beschriebene Erfindung schlägt vor,
bei der Herstellung von Kühlkanälen in Schaufeln die
Oberfläche
der Gusskerne entweder gar nicht nicht oder mit vergleichsweise
groben Werkzeugen zu bearbeiten, oder diese sogar beispielsweise
durch Sandstrahlen zusätzlich
aufzurauen. Damit wird dem Gusskern – analog auch einer Gussform – und damit dem
Werkstück
eine stochastische und insbesondere auch vollflächige Rauhigkeit mit geometrisch
undefinierten Rauhigkeitserhebungen aufgeprägt. Die Rauhigkeit wird dabei
durch den Rauhigkeitsparameter D/2·ks definiert. k
s wird
die Sandkornrauhigkeit genannt; D ist der Durchmesser eines durchströmten Rohres.
Für nicht
kreisförmige
Kanalquerschnitte kann im Falle voll ausgebildeter turbulenter Strömung, was
bei den vorliegenden Reynoldszahlen der Fall ist, ohne weiteres
der sogenannte hydraulische Durchmesser angesetzt werden, welcher
als D,, _ 4·A/U
definiert ist, wobei für
A der Kanalquerschnitt und für
U dessen benetzter Umfang anzusetzen ist. Je kleiner der Rauhigkeitsparameter
ist, desto rauher ist die Kanalwand. Die
DE 945 201 vergleicht Werte bei einem
einen Rauhigkeitsparameter von 125 beispielhaft mit Werten bei Rauhigkeitsparametern
von 60.
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Aus einer Veröffentlichung in ISROMAC-7, Honululu,
Hawaii (1998): 1682-1693 ist ein numerisches Verfahren zur Berechnung
von Druckverlusten und Wärmeübergängen an
Wänden
mit Unebenheitselementen bekannt. Mit Hilfe dieses Verfahrens kann
die Rauhigkeit oder Unebenheit der Kühlkanalwand hinsichtlich Wärmeübergang
und Druckverlust optimiert werden. Die nach dem Stand der Technik bekannten
stochastisch rauhen Wände
erlauben aber nur den Rauhigkeitsparameter zu variieren, während die
Flächenverteilung
und die Geometrie der Unebenheitselemente nicht definiert werden kann.
Auch die tatsächliche
Höhe einzelner
Unebenheiten ist nur über
Statistiken definiert.
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Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe
zugrunde, ein gekühltes
Bauteil gemäss
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welches die Nachteile
des Standes der Technik vermeidet. Es ist insbesondere Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, das Bauteil so anzugeben, dass eine gezielte
Einstellung und Optimierung der Druckverluste und Wärmeübergänge an den
Kühlkanalwänden möglich ist,
und, dass diese Grössen
einer auch lokal aufgelösten
Berechnung zugänglich
sind.
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Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit einem
kühlbaren
Bauteil gelöst,
welches die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.
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Kern der Erfindung ist es also, an
den Wänden
von Kühlkanälen von
kühlbaren
Bauteilen Unebenheitselemente gezielt und in regelmässigen Mustern
anzuordnen. Die gezielte Anordnung ermöglicht es, Unebenheitselemente,
im Gegensatz zu einer stochastischen Rauhigkeit, in definierten
und kontrollierten Abständen
voneinander anzuordnen. Ebenso ist es bei einem erfindungsgemässen Bauteil
möglich,
auf den Kanalwänden
Unebenheitselemente einer definierten Geometrie und einer definierten
Höhe anzuordnen,
wobei die Höhe
der Unebenheitselemente äquivalent
zur Sandkornrauhigkeit betrachtet werden kann. Dabei kann die relative
Höhe der
Unebenheitselemente, bezogen auf den hydraulischen Durchmesser des
Kühlkanals,
ohne weiteres in verschiedenen Bereichen der Kanalwände variieren.
Die relative Höhe
von jedenfalls mehr als 75% der Unebenheitselemente, bevorzugt aller
Unebenheitselemente, liegt, bezogen auf den lokalen hydraulischen Durchmesser,
aber stets im Bereich von 0.01 bis 0.05, entsprechend einem Rauhigkeitsparameter
von 10 bis 50; bevorzugt wird die relative Höhe der Unebenheitselemente
im Bereich von 0.02 bis 0.03 gewählt.
Auch kann die Geometrie der Unebenheitselemente gegebenenfalls definiert
werden; so können die
Unebenheitselemente beispielsweise auf der Kanalwand aufstehende
Stifte oder pilzförmige
Elemente, oder auch, wie in ISROMAC-7, Honululu, Hawaii (1998):
1682-1693 dargestellt, Halbkugeln eines bestimmten Durchmessers
sein; auch diese Geometrie kann selbstverständlich in Abhängigkeit
von einer als optimal berechneten Auslegung in verschiedenen Bereichen
der Kanalwände
variieren.
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In einer Ausführungsform der Erfindung sind die
Unebenheitselemente äquidistant
auf den Kanalwänden
angeordnet, und zwar insbesondere auf der Basis einer Anordnung
in regelmässigen
Dreiecken, oder Quadraten. Je nach gewähltem Fertigungsverfahren kann
dies zu einer wesentlichen Vereinfachung des Herstellprozesses führen. Auch
hier können
wiederum die Muster der Anordnung wie auch die Abstände der
Unebenheitselemente in verschiedenen Bereichen der Kanalwände variieren.
Die Möglichkeit,
die Unebenheitselemente gezielt und über die Erstreckung eines Kühlkanals
sehr variabel anzuordnen, eröffnet,
im Gegensatz zu einer stochastischen Rauhigkeit, die Möglichkeit,
die Unebenheiten gezielt so anzuordnen, wie es gemäss Auslegungsrechnungen
mittels numerischer Grenzschichtmodelle, wie sie beispielsweise
in ISROMAC-7, Honululu, Hawaii (1998): 1682-1693 beschrieben sind, wünschenswert
ist. Andererseits ergeben sich bei der Ausführung kühlbarer Beiteile gemäss der Erfindung
ganz wesentliche Vorteile gegenüber
der Lehre aus
EP 825 332 und
DE 196 54 115 , wo der Fachmann
ganz eindeutig die Lehre erhält,
makroskopische Elemente in Form von Rippen oder Stiften anzuordnen.
Diese weisen nämlich
einen erheblichen Versperrungsgrad der Kühlkanäle auf, und erzeugen grossmassstäbliche Verwirbelungen,
deren Ausdehnung in der Grössenordnung
der Kanal-Quererstreckung
liegen. Dort wird also die gesamte Kühlmittelströmung beeinflusst; insgesamt
resultieren nach dem Stand der Technik erhebliche Druckverluste.
Erfindungsgemäss
werden Unebenheitselemente gezielt so angeordnet, dass sie im Wesentlichen
gerade aus der laminaren Unterschicht einer vollturbulenten Kanalströmung – diese
Bedingung ist bei den zur Diskussion stehenden Einström-Reynoldszahlen
von rund 200 000 bis 400 000 und darüber sicher erfüllt – herausragen,
somit kleinmassstäbliche
Turbulenzen in der laminaren Unterschicht, also in unmittelbarer Wandnähe, erzeugen,
und damit letztlich ein Bindeglied für den turbulenten Queraustausch
zwischen der Wand und der vollturbulenten Kernströmung im Kühlkanal
darstellen. Die Unebenheitselemente werden daher auch als Mikroturbulatoren
– im
Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Makroturbulatoren – oder als
Grenschicht- oder Unterschichtturbulatoren bezeichnet, weil ihre
erfindungsgemässe
Wirkungsweise darin besteht, gezielt Turbulenz und damit letztlich
Queraustausch in die laminare Unterschicht der Kühlkanalströmung einzubringen.
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Selbstverständlich ist es ohne Weiteres
möglich,
eine gezielte regelmässige
Anordnung von Unebenheitselementen, Mikroturbulatoren, mit an sich bekannten
makroskopischen Turbulatoren zu kombinieren. Dabei kommen als Turbulatoren
beispielsweise die aus
EP 825
332 bekannten Rippen, die aus
DE 196 54 115 bekannten Stifte, oder
auch wirbelerzeugende Elemente, sogenannten VGs, die aus
CH 688868 bekanntgeworden
sind, in Frage, wobei diese Aufzählung
keineswegs als abschliessend zu verstehen ist. Im Vergleich zu den
erfindungsgemässen Unebenheitselementen
weisen diese makroskopischen Elemente eine wesentlich grössere Erstreckung
aus der Kanalwand heraus auf; die Höhe dieser Elemente übersteigt
10% des hydraulischen Durchmessers deutlich, und liegt üblicherweise über 20%
des hydraulischen Durchmessers des Kühlkanals. Weiterhin ist es
ohne Weiteres auch denkbar und möglich,
in die Kühlkanalwände in regelmässigen Mustern
angeordnete Einsenkungen einzuarbeiten, und zwischen diesen Unebenheitselemente
anzuordnen. Bei den Einsenkungen ist beispielsweise an sogenannte
Dimples zu denken; dies sind kalottenförmige Einbuchtungen der Oberfläche, in
der Art, wie sie beispielsweise auf der Oberfläche eines Golfballs angeordnet
sind.
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Erfindungsgemässe kühlbare Bauteile eignen sich
insbesondere als Schaufeln oder Wandelemente im Heissgaspfad von
Gasturbinen. Als Wandelement, insbesondere als Wandelement einer
Gasturbinenbrennkammer, weist das erfindungsgemässe kühlbare Bauteil eine Heissgasseite
und eine dieser gegenüberliegende
Kühlungsseite
auf, wobei in der Kühlungsseite
wenigstens ein Kühlkanal
angeordnet ist.
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Zur Herstellung eines Bauteils, dessen
Kühlkanal
oder Kühlkanäle Unebenheitselemente
gemäss
der Erfindung aufweisen, bieten sich je nach den konkreten Gegebenheiten
unterschiedliche Vorgehensweisen an. Bei Kühlkanälen, welche vollständig im
Inneren des Bauteils verlaufen, wie es gerade bei Turbinenschaufeln
der Fall ist, findet der Konstrukteur eine vorneweg recht komplizierte
Geometrie vor, und es werden zur Herstellung der Kühlkanäle hochpräzise Gusskerne
benötigt,
welche im Allgemeinen aus keramischen Materialien bestehen. Dort besteht
eigentlich nur die Möglichkeit,
die Elemente in die Keramik-Grünlinge
mit einzuformen, was insgesamt einen sehr hohen Aufwand bedeutet.
Einfacher stellt sich die Situation bei Kühlkanälen in schindelartigen Brennkammer-Wandsegmenten
dar, die im Allgemeinen auf der Kühlungsseite offen sind. Dort
finden üblicherweise
Wachskerne Verwendung. Einerseits ist es möglich, die Unebenheitselemente bereits
in den Werkzeugen zur Herstellung der Wachskerne vorzusehen; dies
bietet sich an, wenn Werkzeuge neu konstruiert werden. Wenn bereits vorhandene
Werkzeuge benutzt werden sollen, bietet es sich auch an, den Wachskern
zunächst
mit einer ebenen Oberfläche
herzustellen, und die Unebenheitselemente nachträglich mittels einer erwärmten Werkzeuges
in den Wachskern einzuarbeiten oder Wachsteilchen aufzukleben. Dabei
werden die Unebenheitselemente beim Guss, also beim Urformen, hergestellt.
Aufgrund der relativen Abmessungen der zu fertigenden Details liegt
diese Herstellung an der Grenze der heute bei Gussverfahren erreichbaren
Präzision,
so, dass kleine Kanten und Details möglicherweise nur unscharf im
fertigen Werkstück abgebildet
werden. Bei einer weiteren Herstellungsmethode werden zunächst Kühlkanäle mit glatten, ebenen
Wänden
hergestellt. Die Unebenheitselemente werden dann durch weitere Bearbeitungsschritte
wie Schleifen, Pressen, Erodieren, oder Lasern in die Metalloberfläche eingebracht.
Möglich
ist es auch, die Unebenheitselemente aufzuschweissen oder aufzulöten, was
eine besonders gut definierte Geometrie der Unebenheitselemente
ermöglicht, oder
sie durch eine Auftragsschweissung herzustellen; entscheidend ist
hierbei, dass die Fügeverbindung
den zur erwartenden Materialtemperaturen standhält. Dies stellt das aufwändigste
Herstellverfahren dar, hat aber den Vorteil, dass auch kleine Unebenheitselemente
sehr definiert und mit geringen Toleranzen angeordnet werden. Dabei
erleichtert eine regelmässige
Anordnung der Unebenheitselemente den Herstellungsprozess ganz erheblich
und rationalisiert gleichermassen die Bereitstellung der notwendigen
Werkzeuge.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
von in der Zeichnung illustrierten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Im
einzelnen zeigen
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1 und 2 ein erstes Beispiel eines
erfindungsgemässen
Bauteils als Turbinenschaufel;
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3 eine
weitere Ausführung
eines erfindungsgemässen
Bauteil, als Brennkammer-Wandsegment;
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4 bis 7 Beispiele für die Anordnung
und Geometrie von Unebenheitselementen in Kühlkanälen.
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Dabei sind die dargestellten Ausführungsbeispiele
lediglich instruktiv und keinesfalls einschränkend zu verstehen.
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Weg zur Ausführung der
Erfindung
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Die 1 und 2 zeigen als erstes Beispiel
für ein
erfindungsgemässes
kühlbares
Bauteil eine Turbinenschaufel 1. Die Turbinenschaufel 1 wird
im Betrieb von einer Heissgasströmung 2 angeströmt und auf
einer Heissgasseite 3 umströmt. Innerhalb der Schaufel
ist ein Kühlkanal 4 angeordnet,
der von einer Kühlluftströmung 5 durchströmt wird. Üblicherweise
speist dieser Kühlluftkanal
auf der Heissgasseite mündende
Bohrungen für
die Ausblasung von Kühlluft,
welche dem Fachmann ohne weiteres geläufig, hier aber, da nicht unmittelbar
erfindungsrelevant, nicht dargestellt sind. Die Darstellung des
Kühlluftkanals
ist keineswegs massstäblich,
und in der Realität
sind Turbinenschaufeln von Kühlluftkanälen in wesentlich
komplexeren Geometrien durchzogen. Vorliegend handelt es sich jedoch
um eine stark schematisierte Darstellung, die weniger der detaillierten
Darstellung einer Gasturbinenkomponente als der Visualisierung und
Verdeutlichung der relevanten technischen Merkmale, welche die Erfindung
ganz eindeutig vom Stand der Technik abgrenzen, dient. Der Kühlkanal
ist vorliegend rechteckig mit den Querschnittsabmessungen b und
t dargestellt. Unter der Voraussetzung, dass die Kühlluftströmung 5 vollturbulent
ist, welche Bedingung bei Gasturbinenkomponenten allgemein erfüllt ist,
kann der Querschnitt des Kühlkanals
für die
Kühlströmung auch
durch den hydraulischen Durchmesser DH ersetzt
werden. Dieser ist definiert als der Durchmesser eines gedachten Kanals
mit kreisförmigem
Querschnitt, welcher ein identisches Verhältnis von Querschnittsfläche zu benetztem
Umfang aufweist. Dieser äquivalente
Ersatz ist zulässig,
weil bei einer ausgebildeten vollturbulenten Strömung die Strömungsgeschwindigkeit über den
gesamten Strömungsquerschnitt
nahezu konstant ist, und der Druckverlust nur durch die Wandschubspannung
verursacht wird. Der hydraulische Durchmesser wird allgemein durch
DH = 4·A/D
definiert, wobei A der Strömungsquerschnitt
und U der benetzte Kanalumfang ist. Im vorliegenden Fall bestimmt
sich der hydraulische Durchmesser aus DH = 2·b·t/(b +
t) Die Kühlluftströmung weist
eine Reynoldszahl Re = u·DH/υ,
wobei υ die
kinematische Viskosität
der Kühlluft
darstellt und u die mittlere Strömungsgeschwindigkeit,
welche Reynoldszahl grösser
als 50000 ist, und typischerweise für Schaufelkühlungen im Bereich von 50000
bis 150000 und darüber liegt, und bei Brennkammern typische Werte über 300000
annimmt. Die Bedingung einer vollturbulenten Strömung im Kühlkanal 4 ist damit
schon nach einer kurzen Einlaufstrecke erfüllt. Das bedeutet, dass im
gesamten Kanalquerschnitt ein intensiver Queraustausch von Impuls
und Wärme
auftritt, mit Ausnahme einer in der Grössenordnung von hundertstel
bis zehntel Millimeter dicken laminaren Unterschicht an den Kanalwänden, welche
in der Tat den Wärmeübergang
von den Kanalwänden
in die Kühlströmung vermindert.
Gemäss
der Erfindung sind an den Kanalwänden
gezielt Unebenheitselemente 6 angeordnet, deren Erhebung
in den Kanal hinein das Mass h ist, welches gross genug ist, um die
laminare Unterschicht zu durchdringen und gewissermassen ein Bindeglied
zwischen der Kanalwand und der turbulenten Kernströmung herzustellen.
Zur Charakterisierung der Höhe
der Unebenheitselemente hat sich in der Fluiddynamik der Begriff
des Rauhigkeitsparameters etabliert, der hier als DH/2·h zu definieren
wäre; umgekehrt
kann auch eine relative Höhe
der Unebenheitselemente als h/DH definiert
werden. Diese relative Höhe
bestimmt einerseits entscheidend die Druckverluste der Kühlluftströmung mit,
und andererseits den Wärmeübergang von
der Wand an die Kühlluftströmung. Bei
den vorliegenden hohen Reynoldzahlen der Kühlluftströmung hat sich gezeigt, dass
eine Erhöhung
der relativen Höhe
der Unebenheitselemente 6 über etwa 5% praktisch keinen
signifikanten Einfluss mehr auf den Wärmeübergang hat, aber den Druckverlustbeiwert des
Kühlkanals
drastisch erhöht.
Es hat sich gezeigt, dass, abhängig
von der jeweiligen Konstellation, relative Höhen der Unebenheitselemente
zwischen 1% und 5%, insbesondere 2% bis 3%, für die vorliegend hohen Reynoldszahlen
einen besten Kompromiss zwischen geringen Druckverlusten und guten
Wärmeübergängen darstellen.
Da die Herstellung der Unebenheitselemente insbesondere in geschlossenen
Kühlkanälen naturgemäss vergleichsweise
grossen Toleranzen unterliegt, ist hier die Forderung sinnvoll,
dass mehr als 75%, bevorzugt mehr als 90%, der Unebenheitselemente
in dem spezifizierten Bereich der relativen Höhe liegen sollen. Es hat sich
bei Berechnungen mit numerischen Grenzschichtverfahren auch gezeigt,
dass die Anordnung und auch die Geometrie der Unebenheitselemente
auf den Kanalwänden
entscheidenden Einfluss auf deren Leistungsfähigkeit haben. Es sind daher,
wie besonders in 1 zu
ersehen, die Unebenheitselemente 6 gezielt auf den Kanalwänden angeordnet,
hier beispielsweise äquidistant
auf einem dreieckigen Muster. Dieses Anordnungsmuster, ebenso wie
die Höhe und
die Form der Unebenheitselemente, kann dabei selbstverständlich in
verschiedenen Bereichen der Kanalwände variieren. Die gezielte
Anordnung von Unebenheitselementen ermöglicht dabei, im Gegensatz
zu stochastischen Rauhigkeiten, eine Optimierung des Verhältnisses
von Druckverlusten und Wärmeübergang
aufgrund der Ergebnisse numerischer Berechnungen. Dabei wurde, ganz
im Gegensatz zu dem Modell der Sandkornrauhigkeit, auch festgestellt,
dass eine Streuung in der Höhe
der Rauhigkeitselemente und lokal auftretende Höhenunterschiede einen ganz
entscheidenden Einfluss auf den Druckverlust und den Wärmeübergang
haben. So kann es beispielsweise vorkommen, dass eine Konfiguration aus
zwei hohen und drei kleinen gezielt angeordneten Rauhigkeitselementen
einer Konfiguration mit fünf
identisch grossen Rauhigkeitselementen weitaus überlegen ist, obwohl die gemittelte
Rauhtiefe – oder
der Rauhigkeitsparameter – in
beiden Fällen gleich
ist, was bei einer globalen Betrachtung unter Berücksichtigung
der äquivalenten
Sandkornrauhigkeit nicht erfasst wird; nach diesen Modellen müssten die
Werte beider Konfigurationen identisch sein. Weiterhin kann optional
auch die Geometrie der Unebenheitselemente definiert werden, was
einen weiteren Optimierungsparameter eröffnet. Wie in der Figur erkennbar,
bestehen zwischen den einzelnen Unebenheitselementen 6 durchaus
grössere
Abstände,
was sich günstig
auf den Druckverlustbeiwert des Kühlkanals 4 auswirkt;
wenn die Kanalwände
hingegen mit einer stochastischen Rauhigkeit gleichen Rauhigkeitsparameters
versehen werden, so weisen praktisch die gesamten Kanalwände Unebenheitselemente
auf, was in erhöhten
Druckverlusten resultiert, ohne den Wärmeübergang in auch nur annähernd gleichem
Masse günstig
zu beeinflussen.
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3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung. Dargestellt ist ein Brennkammerwandsegment 11.
Im Betrieb wird dieses Element auf seiner Heissgasseite von Heissgas 2 überströmt, während Kühlkanäle 14 von
Kühlluft
durchströmt
werden. Das Wandsegment 11 besteht aus einem im Allgemeinen
metallischen Grundelement 12, auf das auf der Heissgasseite
eine insbesondere keramische Temperaturschutzschicht 13 aufgebracht
ist, welche an sich schon den Wärmeeintrag
in das thermisch extrem hoch belastete Wandsegment 11 vermindert. Auf
der gegenüberliegenden
Seite sind drei Kühlkanäle 14 identischer
Breite b und Tiefe t angeordnet. Auf die oben erwähnte Weise
kann auch diesen Kanälen
ein hydraulischer Durchmesser DH zugeordnet werden.
An den Kanalwänden
sind ebenfalls gezielt Unebenheitselemente angeordnet, welche bezüglich ihrer
relativen Höhe,
bezogen auf den hydraulischen Durchmesser der Kanäle, die
oben aufgestellten Bedingungen erfüllen. Im Beispiel sind die
Unebenheitselemente 6 nur an jeweils einer von drei Kanalwänden angeordnet.
Dass die Kühlkanäle 14 nicht
vollständig
umschlossen sind, sondern eine offene Seite aufweisen, hat weitgehende
Auswirkungen auf die Möglichkeiten
zur Herstellung und Formgebung der Unebenheitselemente. Im Gegensatz
zu vollständig umschlossenen
Kühlkanälen müssen die
Unebenheitselemente 6 nämlich
nicht unmittelbar beim Urformen mit hergestellt werden, sondern
können
aufgrund der Zugänglichkeit
der Kanalwände
durch spanende Bearbeitung oder nachträgliches Fügen oder Auftragen hergestellt
werden. So kann die Herstellung der Unebenheitselemente beispielsweise
durch Fräsen,
Schleifen, Presen, Erodieren oder Laserbearbeitung erfolgen; andererseits
können
vorgefertigte Elemente aufgeschweist, aufgelötet, oder durch sonstige geeignete
Fügeverfahren,
welche den im Betrieb auftretenden Belastungen standhalten, an den
Kanalwänden
befestigt werden, was die definiertesten Geometrien erlaubt. Auch
eine Herstellung durch Auftragsschweissen ist durchaus geeignet. Selbstverständlich ist
es in jedem Falle auch möglich, die
Unebenheitselemente bereits beim Urformen herzustellen. Bei einem
Brennkammer-Wandsegment der dargestellten Art werden die Kühlkanäle üblicherweise
durch Wachskerne urgeformt. Dabei kann einerseits das Wachstool
entsprechend geformt werden, um ein Negativ der gewünschten
Unebenheitselemente auszubilden. Die Rauhigkeitselemente können weiterhin
mittels eines erwärmten
Werkzeuges in eine glatte Oberfläche
eines Wachstools eingearbeitet oder in Form von Wachsteilchen aufgeklebt
werden. Die Herstellung während
des Urformens ist zwar im Vergleich zu einer nachträglichen Bearbeitung
der Metalloberfläche
deutlich weniger aufwändig;
die zu erzielende Präzision
ist aber deutlich geringer, da die Unebenheitselemente mit Ihrer geringen
Grösse
an der Grenze der erreichbaren Genauigkeit von Gussverfahren liegen.
So ist das im Einzelfall zu wählende
Herstellverfahren letztlich eine Folge einer Abwägung zwischen einer notwendigen Fertigungsgenauigkeit
und den Herstellkosten.
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Die 4 bis 7 bieten einen Einblick in
die Vielfalt der möglichen
Anordnungen und Geometrien von Unebenheitselementen. Dabei zeigt 4a eine Draufsicht auf ein
Bauteil 12 mit einem Kühlkanal 4, in
dem unterschiedliche Geometrien von Unebenheitselementen 6A, 6B, 6C, 6D in
unterschiedlichen Mustern angeordnet sind, wobei weder die dargestellten
Elementgeometrien noch die Anordnungsmuster abschliessend zu betrachten
sind. Die Darstellung ist ebenfalls nicht massstäblich; die Unebenheitselemente
sind im Sinne einer effektiven Darstellbarkeit stark vergrössert dargestellt. 4b zeigt eine Seitenansicht
des Kanals mit den Unebenheitselementen. In einem ersten Bereich
des Kühlkanals sind
halbkugelförmige
Unebenheitselemente 6A in einer äquidistanten Anordnung erkennbar.
Weiter stromab der Kühlströmung 5 sind
kegelförmige
Elemente 6B und Elemente 6C mit Pyramidengeometrie angeordnet.
In einem weiteren Bereich der Kanalwand befinden sich stabförmige Unebenheitselemente 6D auf
einem quadratischen Anordnungsmuster. Andere Anordnungsmuster und
Elementgeometrien sind ebenfalls möglich. Eine Variation der Höhe und/oder
Form der Unebenheitselemente kann zu einer gezielten Beeinflussung
der lokalen Wärmeübergänge genutzt
werden. So kann eine Variation der Geometrie insbesondere dazu beitragen,
lokal unterschiedliche Turbulenzmuster und damit auch verschiedenen
Wärmeübergänge zu realisieren.
Aufgrund der gezielten und wohldefinierten Anordnung der Unebenheitselemente
sind der Wärmeübergang und
der Druckverlust an den unterschiedlichen Stellen der Kanalwände lokal
aufgelöst
einer numerischen Berechnung mit Hilfe von Grenzschichtmodellen
ohne weiteres zugänglich.
Umgekehrt kann die Anordnung und Geometrie der Unebenheitselemente mit
Hilfe der Berechnungen gezielt so eingestellt werden, dass ein bestes
Verhältnis
zwischen Druckverlust und Wärmeübergang
resultiert.
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5 zeigt
eine andere mögliche
Ausgestaltung eines Kühlkanals
bei einem kühlbaren
Bauteil gemäss
der Erfindung. Interessant ist dabei die gemischte Anordnung von
Unebenheitselementen, Mikroturbulatoren 6 mit rippenförmigen Makroturbulatoren 7,
die an sich aus dem Stand der Technik bekannt sind.
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7 zeigt
eine Anordnung, bei der Mikroturbulatoren
6 und strömungsgünstige wirbelerzeugende
Elemente
7 in einem Kühlkanal
angeordnet sind. Diese wirbelerzeugenden Elemente, welche auch als
Vortex Generators, VGs, bezeichnet werden, sind aus der
CH 688868 bekanntgeworden,
welche Schrift hinsichtlich der Beschreibung dieser Elemente einen
integrierenden Bestandteil der vorliegenden Beschreibung aufweist.
Diese gemischte Anordnung vermag durchaus weitreichende synergetische
Effekte von Makroturbulatoren und Mikroturbulatoren zu entwickeln,
in der Hinsicht, den Wärmeübergang
bei möglichst
geringem Druckverlust zu verbessern, oder den Betriebsbereich der
Turbulenzerzeugung zu verbessern. So kann können beispielsweise die Makroturbulatoren
7 angeordnet
werden, um die Kernströmung
grossräumig
gezielt zu beeinflussen. Die Mikroturbulatoren beeinflussen die Grenzschicht
oder laminare Unterschicht der Kühlmittelströmung, welche
durch die Makrowirbel nur unzureichend erfasst wird, ohne dabei
die Kernströmung
zu beeinflussen, und insbesondere ohne zusätzliche Druckverluste zu verursachen.
Dies kann dann von Vorteil sein, wenn die Kühlmittelströmung in Sonderfällen nur
eine geringe Reynoldszahl aufweist, oder, wenn die Reynoldszahl
der Kühlmittelströmung im
Betrieb stark variiert., derart, dass nicht immer selbstverständlich eine
vollturbulente Kühlmittelströmung gewährleistet
ist. In diesem Falle scahffen die Markoturbulatoren günstige Anströmbedingungen
für die
mit Mikroturbulatoren oder Unebenheitselementen versehenen Kanalabschnitte,
welche dort wiederum auf die oben beschriebene Weise ihre vorteilhafte
Wirkung entfalten. Selbstversändlich wäre es auch
durchaus möglich,
die Unebenheitselemente, Mikroturbulatoren, rippenförmig oder
als VG's auszugestalten;
das Entscheidende Kriterium ist die relative Höhe im Vergleich zum hydraulischen
Durchmesser des Strömungskanals.
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Die 7 zeigt
schliesslich eine Konfiguration, bei der an den Wänden eines
Kühlkanals
Einsenkungen 8 in Kombination mit Mikroturbulatoren 6 angeordnet
sind. Bei diesen Einsenkungen 8 handelt es sich im dargestellten
Fall um sogenannte Dimples. Dies sind kalottenförmige Einsenkungen, ähnlich denen, die
auf der Oberfläche
eines Golfballs angeordnet sind, und hier in Verbindung mit den
Unebenheitselementen 6 die Grenzschicht und damit letztich den
wandnahen Wärmeübergang
wirkungsvoll zu beeinflussen vermögen.
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- 1
- Bauteil,
Turbinenschaufel
- 2
- Heissgasströmung
- 3
- Heissgasseite
- 4
- Kühlkanal
- 5
- Kühlströmung
- 6
- Unebenheitselemente
- 6A,
6B, 6C, 6D
- Unebenheitselemente
- 7
- Makroturbulatoren
(Rippen, VG's)
- 8
- Einsenkungen, "Dimples"
- 11
- Bauteil,
Wandelement, Brennkammerwandsegment
- 12
- Grundmaterial
- 13
- Temperaturschutzschicht
- 14
- Kühlkanal
- b
- Kühlkanalabmessung
- t
- Kühlkanalabmessung
- h
- Höhe der Unebenheitselemente