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Prallkuehlung mit Strahlteilung

IP.com Disclosure Number: IPCOM000011959D
Original Publication Date: 2003-Apr-25
Included in the Prior Art Database: 2003-Apr-25
Document File: 1 page(s) / 53K

Publishing Venue

Siemens

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Abstract

Aufgrund sehr hoher Flammentemperaturen in der Brennkammer von Gasturbinen muessen die den hohen Temperaturen ausgesetzten metallische Bauteile aktiv gekuehlt werden. An die verwendeten Kuehlungstechnologien wird dabei die Anforderung gestellt, so wenig Kuehlluft wie moeglich zu verbrauchen, um die Schadstoffemission zu reduzieren und den Wirkungsgrad hoch zu halten bzw. zu erhoehen. Daher ist das Ziel fuer alle Kuehlkonzepte die Maximierung der Kuehleffizienz. Das Ziel fuer offen gekuehlte Brennkammern ist zusaetzlich die Minimierung des erforderlichen Kuehlluftmassenstroms. Fuer heissgasfuehrende Bauteile in Gasturbinen wird bevorzugt das Verfahren der Prallkuehlung eingesetzt. Um die geforderten maximalen Bauteiltemperaturen einzuhalten, muss die aufgrund grosser Bohrungsabstaende der Prallkuehlbohrungen starke "Welligkeit" von Prallstrahlfeldern beruecksichtigt werden. Deshalb wird der erforderliche Kuehlluftmassenstrom so dimensioniert, dass die Bauteilstellen mit geringster Kuehleffizienz – die Randbereiche der Prallstrahlfelder - die geforderten Bauteiltemperaturen nicht ueberschreiten. Letztendlich wird mit dieser Methode jedoch zuviel Kuehlluft verbraucht, da die Mitte der Prallstrahlfelder ueberkuehlt sind. Vorgeschlagen wird der Einsatz von axialen Prallstrahlen mit z.B. kegelfoermigen Strahlteilern. Denkbar sind aber auch entsprechende rippenfoermige Strahlteiler. Der Teiler wird genau in Strahlachse der Prallkuehlbohrung positioniert, so dass der auftreffende Strahl geteilt wird. Im Vergleich zu reinen Axialstrahlen ist er radial staerker umgelenkt, so dass anstelle eines diskreten Staupunktes ein ringfoermiger Bereich erzeugt wird. Die weiter entfernten Bereiche sind nun besser konvektiv gekuehlt. Zusaetzlich stellt der Strahlteiler eine Erhoehung der Waermeuebergangsflaeche dar und erzeugt somit einen hoeheren und gleichmaessigeren Waermeuebergang. Diese Kuehltechnik kann prinzipiell auf alle zu kuehlende Bauteile angewendet werden und stellt im Vergleich zum Stand der Technik eine Verbesserung hinsichtlich der Kuehleffizienz dar.

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S

© SIEMENS AG 2003 file: 2003J00680.doc page: 1

Prallkuehlung mit Strahlteilung

Idea: Stefan Dahlke, DE-Muelheim; Dr. Bernd Prade, DE-Muelheim

Aufgrund sehr hoher Flammentemperaturen in der Brennkammer von Gasturbinen muessen die den hohen Temperaturen ausgesetzten metallische Bauteile aktiv gekuehlt werden. An die verwendeten Kuehlungstechnologien wird dabei die Anforderung gestellt, so wenig Kuehlluft wie moeglich zu verbrauchen, um die Schadstoffemission zu reduzieren und den Wirkungsgrad hoch zu halten bzw. zu erhoehen. Daher ist das Ziel fuer alle Kuehlkonzepte die Maximierung der Kuehleffizienz. Das Ziel fuer offen gekuehlte Brennkammern ist zusaetzlich die Minimierung des erforderlichen Kuehlluftmassenstroms.

Fuer heissgasfuehrende Bauteile in Gasturbinen wird bevorzugt das Verfahren der Prallkuehlung eingesetzt. Um die geforderten maximalen Bauteiltemperaturen einzuhalten, muss die aufgrund grosser Bohrungsabstaende der Prallkuehlbohrungen starke "Welligkeit" von Prallstrahlfeldern beruecksichtigt werden. Deshalb wird der erforderliche Kuehlluftmassenstrom so dimensioniert, dass die Bauteilstellen mit geringster Kuehleffizienz - die Randbereiche der Prallstrahlfelder - die geforderten Bauteiltemperaturen nicht ueberschreiten. Letztendlich wird mit dieser Methode jedoch zuviel Kuehlluft verbraucht, da die Mitte der Prallstrahlfelder ueberkuehlt sind.

Vorgeschlagen wird der Einsatz von axialen Prallstrahlen mit z.B. kegelfoermigen Strahlteilern. Denkbar si...