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Konzept zur optimierten Kuehlung von heissgasfuehrenden Bauteilen fuer Gasturbinen-Brennkammern mittels radialer Prallstrahlduesen

IP.com Disclosure Number: IPCOM000011960D
Original Publication Date: 2003-Apr-25
Included in the Prior Art Database: 2003-Apr-25
Document File: 2 page(s) / 115K

Publishing Venue

Siemens

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Abstract

Aufgrund sehr hoher Flammentemperaturen in stationaeren Gasturbinen muessen heissgasfuehrende metallische Bauteile - speziell in der Brennkammer - aktiv gekuehlt werden. Hierzu koennen verschiedenste Kuehlungstechnologien (auch in Kombination) eingesetzt werden. Die am haeufigsten angewandten Technologien sind: - Konvektionskuehlung und Filmkuehlung, - Konvektionskuehlung mit turbulenzerhoehenden Massnahmen (z.B. Rippenturbulatoren), - Turbulenzerhoehung bei zusaetzlicher Erhoehung der Waermeuebertragungsflaeche (Pin Fin Cooling), - Prallkuehlung (Impingement Cooling). Es werden sehr intensive Bemuehungen unternommen, die Schadstoffemissionen von offen gekuehlten Gasturbinen zu reduzieren. Die Einsparung von Kuehlluft ist ein wichtiger Faktor zur Erreichung dieser Ziele, hier die NOx -Reduzierung. Das Ziel fuer offen gekuehlte Konzepte ist daher die Minimierung des erforderlichen Kuehlluftmassenstroms. Bei der Prallkuehlung wird der Kuehlstrom mit hoher Geschwindigkeit auf die zu kuehlende Oberflaeche geblasen. Die Prallkuehlung bietet bezueglich Effizienz, Robustheit und Flexibilitaet Vorteile gegenueber anderen Kuehlverfahren und wird daher fuer Hitzeschildplatten und Brennereinsaetzen in Gasturbinen bevorzugt eingesetzt. Die Verwendung von Prallkuehlung bei gleichzeitiger Minimierung des Massenstroms fuehrt jedoch zu einem sehr grossen Abstand der Prallkuehlbohrungen und folglich zu einer oertlich sehr stark unterschiedlichen ("welligen") Kuehlung mit sehr ungleichmaessiger Temperaturverteilung.

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S

© SIEMENS AG 2003 file: 2003J00681.doc page: 1

Konzept zur optimierten Kuehlung von heissgasfuehrenden Bauteilen fuer Gasturbinen-Brennkammern mittels radialer Prallstrahlduesen

Idea: Stefan Dahlke, DE-Muelheim

Aufgrund sehr hoher Flammentemperaturen in stationaeren Gasturbinen muessen heissgasfuehrende metallische Bauteile - speziell in der Brennkammer - aktiv gekuehlt werden. Hierzu koennen verschiedenste Kuehlungstechnologien (auch in Kombination) eingesetzt werden. Die am haeufigsten angewandten Technologien sind:

- Konvektionskuehlung und Filmkuehlung, - Konvektionskuehlung mit turbulenzerhoehenden Massnahmen (z.B. Rippenturbulatoren), - Turbulenzerhoehung bei zusaetzlicher Erhoehung der Waermeuebertragungsflaeche (Pin Fin

   Cooling), - Prallkuehlung (Impingement Cooling).

Es werden sehr intensive Bemuehungen unternommen, die Schadstoffemissionen von offen gekuehlten Gasturbinen zu reduzieren. Die Einsparung von Kuehlluft ist ein wichtiger Faktor zur Erreichung dieser Ziele, hier die NOx -Reduzierung. Das Ziel fuer offen gekuehlte Konzepte ist daher die Minimierung des erforderlichen Kuehlluftmassenstroms.

Bei der Prallkuehlung wird der Kuehlstrom mit hoher Geschwindigkeit auf die zu kuehlende Oberflaeche geblasen. Die Prallkuehlung bietet bezueglich Effizienz, Robustheit und Flexibilitaet Vorteile gegenueber anderen Kuehlverfahren und wird daher fuer Hitzeschildplatten und Brennereinsaetzen in Gasturbinen bevorzugt eingesetzt. Die Verwendung von Prallkuehlung bei gleichzeitiger Minimierung des Massenstroms fuehrt jedoch zu einem sehr grossen Abstand der Prallkuehlbohrungen und folglich zu einer oertlich sehr stark unterschiedlichen ("welligen") Kuehlung mit sehr ungleichmaessiger Temperaturverteilung.

Zur Einhaltung der zugelassenen Grenzen der maximalen Bauteiltemperaturen wird ueblicherweise die axiale Prallkuehlung verwendet. Die starke Welligkeit durch grossen Bohrungsabstand wird dadurch beruecksichtigt, dass der erforderliche Kuehlluftmassenstrom so dimensioniert ist, dass die Stellen mit geringerer Kuehleffizienz die geforderten Bauteiltemperaturen erfuellen. Dieses heisst jedoch, dass die Mitte der Staustrahlbereiche ueberkuehlt ist und damit zu viel Kuehlluft gebraucht wird.

Dieses Problem kann durch den Einsatz von radialen Prallstrahlduesen zur Optimierung der Kuehlung von heissgasfuehrenden Bauteilen fuer Gasturbinen-Brennkammern behoben werden. Die axiale Stroemung in der Duese tritt ueber den Umfang verteilt in radialer Richtung durch Schlitze oder kleine Radialbohrungen aus (Abb. 1). Unterhalb der Duese bildet sich ein Gebiet mit verringertem statischem Druck. Der radial austretende Freistrahl wird zur...