DE4244301C2

DE4244301C2 - Vorrichtung zur Prallkühlung

Info

Publication number: DE4244301C2
Application number: DE19924244301
Authority: DE
Inventors: Juergen Haumann; Alfred Knoepfli; Thomas Sattelmayer; Rudolf Tresch
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1992-12-28
Filing date: 1992-12-28
Publication date: 2001-09-13
Anticipated expiration: 2012-12-29
Also published as: DE4244301A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Prallkühlung einer Kühlfläche gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1, welche in vielen Gebieten der Technik an gewendet werden kann, beispielsweise zur Kühlung einer Brenn kammerwand.

Stand der Technik

Derartige Vorrichtungen sind bekannt. Herkömmliche Prallküh lungssysteme bestehen aus einem Lochblech, das der zu kühlen den Fläche gegenüberliegt. Die Kühlluft, die aus den Bohrun gen im Blech als eine Reihe von Freistrahlen austritt und mit hoher Geschwindigkeit auf die Kühlfläche aufprallt, muss an schliessend durch den Spalt, der vom Lochblech und der Kühl fläche gebildet wird, weitertransportiert werden. Dadurch entsteht eine Strömung quer zu den Freistrahlen. Mit wachsen der Querströmungsgeschwindigkeit nimmt aber die Ablenkung der Freistrahlen zu, so dass deren Kühlwirkung erheblich redu ziert wird.

Eine weitere Verminderung der Kühlwirkung tritt ein, wenn die Luft vom Kühllufteintritt bis zum Austritt aus den Bohrungen unkontrolliert aufgeheizt wird.

Aus DE 25 50 100 C2 ist ein Gasturbinentriebwerk mit einer Anordnung zur Kühlung der Verbrennungskanalwand bekannt. Diese Anordnung besteht aus einer Kühlluftkammer, die durch eine gemeinsame Wand vom Verbrennungskanal getrennt ist und die durch eine Trennwand in einen von der gemeinsamen Wand abgelegenen, mit einer Kühlluftquelle verbundenen Einlassabschnitt und einen an die gemeinsame Wand angrenzenden, mit einem Kühlluftauslass versehenen Auslassabschnitt unterteilt ist, wobei die Trennwand zur gemeinsamen Wand hin vorspringende Abschnitte aufweist, die jeweils zwischen sich zum Auslassbereich gehörende Zwischenräume bilden und mit zur gemeinsamen Wand hin gerichteten Düsenöffnungen versehen sind. Im Betrieb der Kühlanordnung prallt die erhitzte Kühlluft von der gemeinsamen Wand zurück, und indem sie in die zwischen den vorspringenden Bereichen der Trennwand gebildeten Zwischenräume gelangt, kann sie vorteilhaft ohne Vermischung mit frischer Kühlluft von der gemeinsamen Wand wegströmen. Da bei diesem Prallkühlungssystem aber eine relativ grosse Wärmeübertragungsfläche vorliegt, wird hierdurch nachteilig die Kühlluft aufgeheizt und prallt mit erhöhter Temperatur auf die zu kühlenden Wand auf, wodurch die Kühlleistung des Systems wieder abnimmt.

Der Anmelderin ist eine Gasturbinenbrennkammer mit Prallküh lung bekannt, bei der die Höhe des Kühlkanals in Querströ mungsrichtung entsprechend der Kühlluftzufuhr stetig zuneh mend ist und auf den Löchern der Lochplatte Röhrchen derart angeordnet sind, dass die Pralluft senkrecht auf die Prall fläche auftrifft, wobei die Höhe der Röhrchen in Querströ mungsrichtung so zunehmend ist, dass der Abstand der Röhrchen von der Prallfläche über die gesamte Länge des Kühlkanals konstant ist. Dadurch wird eine konstante Querströmungsge schwindigkeit und eine gleichmässigere Kühlwirkung erreicht. Es gelingt aber mit dieser Vorrichtung nicht, die Querströ mung völlig zu verhindern. Das ist auch nicht erwünscht, da die Querströmung bei diesem Kühlsystem zum Abtransport der Luft notwendig ist.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Prallkühlung einer Kühlfläche zu schaffen, bei der die unerwünschte Quer strömung vermieden und ein vorzeitiges Aufheizen der Kühlluft verhindert wird.

Erfindungsgemäss wird dies bei einer Vorrichtung zur Prallkühlung einer Kühlfläche nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 dadurch erreicht, dass das Rohr (7) einen rechteckigen Quer schnitt aufweist und aus einer doppelschaligen Wand besteht und dass der Zwischenraum über den Rohren bis zur Deckfläche den Rückströmkanal bildet, wobei der Querschnitt des Zuströmkanals sehr viel grösser als der Querschnitt eines Loches ist und der Querschnitt des Rückströmkanals sehr viel grösser als der Querschnitt des Überströmkanals ist und dieser wiederum sehr viel grösser als der Querschnitt des Spaltes zwischen Rohr und Kühlfläche ist.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass bei dem erfindungsgemässen Prallkühlungskonzept eine un erwünschte Querströmung der Kühlluft vermieden und ein vorzeitiges Aufheizen der Kühlluft verhindert wird.

Es ist besonders zweckmässig, wenn die Rohre einen quadrati schen Querschnitt aufweisen.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Querschitt der Rohre in Strömungsrichtung abnehmend, vorzugsweise linear abnehmend, ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung an hand der Prallkühlung einer Brennkammerwand dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 die Anordnung des Rohrregisters zwischen Kühl- und Deckfläche;

Fig. 2 einen Teillängsschnitt durch ein Rohr in der Ebene der Lochreihe;

Fig. 3 die Anordnung eines aus einer doppelschaligen Wand bestehenden Rohres.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind beispielsweise die Brennkammer und die Brenner. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel anhand einer Brennkammer dargestellt. Zwischen der Kühlfläche 5, die in diesem Falle die Brennkammerinnenwand darstellt, und der Deckfläche 6 ist in einem konstanten Abstand über der Kühl fläche 5 längs in Strömungsrichtung der Kühlluft ein Register aus Rohren 7 angeordnet, welche jeweils einen gleichen Ab stand voneinander haben. Zwischen der Kühlfläche 5 und den Rohren 7 wird ein konstanter Spalt 4 gebildet. Die Rohre 7 sind an ihrem in Strömungsrichtung gesehenen Ende dicht ver schlossen, während die der Kühlfläche 5 zugewandte Seite der Rohre 7 (Rohrboden) mit einer oder mehreren Reihen Löcher 8 versehen ist. Die Rohre 7 sind in diesem Ausführungsbeispiel Vierkantrohre mit einem quadratischen Querschnitt. Das Innere der Rohre 7 bildet die Zuströmkanäle 1, die Zwischenräume zwischen den Rohren 7 bilden die Überströmkanäle 2 und der Zwischenraum zwischen den Rohren 7 und der Deckfläche 6 bil den den Rückströmkanal 3.

Die Kühlluft tritt durch das offene Ende der Rohre 7 in die Zuströmkanäle 1 ein und wird über die Länge der Rohre 7 ver teilt. Anschliessend tritt die Luft durch die Löcher 8 im Rohrboden aus und prallt auf die zu kühlende Kühlfläche 5 auf. Die aufgeheizte Luft wird dann durch die Überströmkanäle 2 weggeführt, ohne die aus den benachbarten Rohren 7 austre tende Luft in ihrer Kühlwirkung zu beeinträchtigen, da die Querströmung zu benachbarten Freistrahlen im Spalt 4 verhin dert wird.

Die Querschnitte der verschiedenen Kanäle müssen dabei so gewählt werden, dass die Luft ungehindert den gewünschten oben beschriebenen Strömungsverlauf nehmen kann, d. h. der Querschnitt des Zuströmkanals 1 muss sehr viel grösser als der Querschnitt des Loches 8 sein, der Querschnitt des Rück stromkanals 3 muss sehr viel grösser als der Querschnitt des Überstromkanals 2 und dieser wiederum muss sehr viel grösser als der Querschnitt des Spaltes 4 sein. Es gilt also:

A₁ << A₈

A₃ << A₂ << A₄

Wie in Fig. 2 dargestellt ist es vorteilhaft, wenn die Rohre 7 des Registers eine sich in Strömungsrichtung der Luft ver jüngende Form aufweisen, da fortlaufend Luft aus den Rohren 7 ausströmt und somit der erforderliche Querschnitt für die Führung der Luft abnimmt. Andererseits fliesst im Rückström kanal 3 fortlaufend mehr Luft zu, so dass der Querschnitt des Rückstromkanals 3 in dem Masse zunehmend ist, in dem es die Rohre 7 freigeben.

Bei dem in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Prallkühlungssy stem liegt eine relativ grosse Wärmeübertragungsfläche vor. Dadurch wird die Kühlluft stark aufgeheizt und prallt mit erhöhter Temperatur auf die Kühlfläche 5 auf, wodurch die Kühlleistung des Systems abnimmt. Eine Isolation zwischen den strömungsführenden Kanälen schafft hierbei erfindungsgemäss Abhilfe. In Fig. 3 ist deshalb dargestellt, dass das Rohr 7 aus einer doppelschaligen Wand, d. h. der äusseren Rohrwand 9 und der inneren Rohrwand 10, be steht. Die äussere Rohrwand 9 dient als Strahlungsschild, wo bei die Luft im Zwischenraum 11 zwischen den Wänden 9 und 10 gleichzeitig die Wärmeleitung unterbindet, da sich zwischen den beiden Wänden 9 und 10 nur ruhende Luft befindet.

Bezugszeichenliste

1

Zuströmkanal

2

Überströmkanal

3

Rückströmkanal

4

Spalt

5

Kühlfläche

6

Deckfläche

7

Rohr

8

Loch

9

äussere Rohrwand

10

innere Rohrwand

11

Zwischenraum

Claims

1. Vorrichtung zur Prallkühlung einer Kühlfläche, wobei die Kühlfläche (5) und die Deckfläche (6) parallel zu einander angeordnet sind, in einem konstanten Abstand von der Kühlfläche (5) längs in Strömungsrichtung ein Register aus Rohren (7) ange ordnet ist, wobei die der Kühlfläche (5) zugewandte Sei te der Rohre (7), welche mit mindestens einer Reihe Löcher (8) versehen ist, einen Spalt (4) konstanter Höhe mit der Kühlfläche (5) bildet und das in Strömungsrichtung gese hene Ende der Rohre (7) jeweils dicht verschlossen ist und zwischen den Rohren (7) jeweils ein Zwischenraum vorhan den ist, der den Überströmkanal (2) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (7) einen rechteckigen Querschnitt auf weist und aus einer doppelschaligen Wand (9/10) besteht und dass der Zwi schenraum über den Rohren (7) bis zur Deckfläche (6) den Rückströmkanal (3) bildet, wobei der Querschnitt des Zu strömkanals (1), welcher das Rohrinnere darstellt, sehr viel grösser als der Querschnitt eines Loches (8) ist und der Querschnitt des Rückströmkanals (3) sehr viel grösser als der Querschnitt des Überströmkanals (2) ist und dieser wiederum sehr viel grösser als der Quer schnitt des Spaltes (4) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich net, dass das Rohr (7) einen quadratischen Querschnitt aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Rohres (7) in Strömungsrichtung abnehmend ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass der Querschnitt des Rohres (7) in Strömungs richtung linear abnehmend ist.