DE102005038395A1

DE102005038395A1 - Brennkammerkühlung mit geneigten segmentierten Flächen

Info

Publication number: DE102005038395A1
Application number: DE102005038395A
Authority: DE
Inventors: Ronald Scott Bunker; Jeremy Clyde Bailey; Stanley Kevin Widener; Thomas Edward Johnson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2004-08-26
Filing date: 2005-08-13
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2025-08-14
Also published as: DE102005038395B4; US20060042255A1; US7373778B2; JP4993427B2; JP2006063984A; CN1740640A

Abstract

Eine auch als Brennkammereinsatz bezeichnete Brennkammerauskleidung (24) für eine Gasturbine (16) enthält einen Körper mit einer Anzahl gewinkelter Streifen (40) an seiner Außenseite (26). Die gewinkelten Streifen (40) sind in einer Gruppe über die Außenseite (26) verteilt. Zwischen den gewinkelten Streifen (40) ist ein Abstand (42, 44, P) vorhanden, der so bemessen ist, dass in der Kühlluft, die in Längsrichtung über die Außenfläche (26) des Brennkammereinsatzes (24) fließt, Wirbel erzeugt werden. Ein Verfahren zur Herstellung eines Brennkammereinsatzes (24) beinhaltet die Ausbildung einer Anzahl von gewinkelten Streifen (40) an einer Außenseite (26) des Brennkammereinsatzes (24), die in einer Gruppe über die Außenseite (26) verteilt sind, wobei die gewinkelten Streifen (40) so angeordnet sind, dass sie voneinander beabstandet sind, um in der Kühlluft Wirbel zu erzeugen, die über die Außenseite (26) des Brennkammereinsatzes (24) fließt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gegenstand der Erfindung sind allgemein Turbinenkomponenten und insbesondere eine Brennkammerauskleidung oder -einsätze.

Herkömmliche Gasturbinenbrennkammern nutzen eine Diffusionsverbrennung (d.h. nicht vorgemischte Verbrennung), bei der Brennstoff und Luft getrennt in die Brennkammer gelangen. Bei der Mischung und Verbrennung entstehen Flammentemperaturen, die 3900°F übersteigen können. Weil herkömmliche, mit Einsätzen versehene Brennkammern und/oder Übergangsstücke allgemein in der Lage sind, für eine Zeit von ungefähr 10.000 Stunden einer Maximaltemperatur in der Größenordnung von 1500°F zu widerstehen, müssen Schritte zum Schutz der Brennkammer und/oder des Übergangsstücks unternommen werden. Dies wird typischerweise durch Filmkühlung (Schichtkühlung) bewirkt, die die Einleitung relativ kühler Kompressorluft in eine Ansaugluftkammer beinhaltet, die durch das Kompressorauslassgehäuse gebildet wird, das die Außenseite der Brennkammer umgibt. Bei dieser Anordnung strömt die Luft aus der Ansaugluftkammer durch Luftschlitze in dem Brennkammereinsatz und läuft dann als Film über die Innenfläche der Auskleidung, wodurch die Brennkammereinsatztemperatur auf einem akzeptablen Niveau gehalten wird.

Weil zweiatomiger Stickstoff bei Temperaturen über 3000°F (ungefähr 1650°C) schnell dissoziiert und bei sol chen Temperaturen leicht mit Sauerstoff reagiert, ergeben die hohen Temperaturen einer Diffusionsverbrennung relativ hohe NOx-Emissionen. Ein Ansatz zur Reduktion von NOx-Emissionen liegt in der Vormischung von der maximalen Menge Kompressorluft mit Brennstoff. Die sich ergebende magere vorgemischte Verbrennung erzeugt vergleichsweise kühlere Flammentemperaturen und somit niedrigere NOx-Emissionen. Obwohl eine magere vorgemischte Verbrennung kühler ist als eine Diffusionsverbrennung ist die Flammentemperatur immer noch zu heiß für bekannte konventionelle Brennkammerkomponenten, als dass diese ihnen ohne aktive Kühlung widerstehen könnten.

Außerdem ist, weil fortgeschrittene Brennkammern zur NOx-Reduktion die maximal mögliche Luftmenge mit Brennstoff mischen, wenig oder keine Kühlluft verfügbar, was die Filmkühlung des Brennkammereinsatzes und des Übergangsstücks als nicht durchführbar erscheinen lässt. Dessen ungeachtet, erfordern Brennkammereinsätze eine Kühlung, um die Materialtemperaturen unterhalb gegebener Grenzen zu halten. Bei trockenen NOx-Niedrigemissionssystemen (dry low NOx = DLN) kann diese Kühlung nur als kalte Seitwärtskonvektion bewirkt werden. Derartige Kühlung muss innerhalb der akzeptablen Grenzen hinsichtlich der Temperaturgradienten und Druckverluste durchgeführt werden. Somit sind Mittel wie beispielsweise thermische Sperrbeschichtungen in Verbindung mit „Rückseiten"-Kühlung genutzt worden, um den Brennkammereinsatz und das Übergangsstück vor der Zerstörung durch zu große Hitze zu schützen. Zur Rückseitenkühlung gehört, dass Kompressorluft über die Außenfläche des Brennkammereinsatzes und des Übergangsstücks geleitet wird, bevor sie mit dem Brennstoff vorgemischt wird.

Es gibt im Stand der Technik gegenwärtig drei Formen der konvektiven Kühlung von Brennkammern. Die erste besteht in einer Serie von längs oder axial beabstandeten horizontalen Wirbelerzeugern, die sich als gerade Linie über der Oberfläche des Einsatzes darstellen und dazu verwendet werden, um die thermische Grenzschicht aufzureißen und zu Kühlzwecken eine erhöhte Wärmeübertragung zu bewirken. Diese Wirbelerzeuger sind entweder in die Metalloberfläche eingearbeitet oder als punktgeschweißte Materialstreifen auf das Metall aufgebracht. Zweitens wird eine konvektive Kühlung durch eine Serie von Prallstrahlen erbracht, die von dem äußeren Brennkammerkühlflussmantel geliefert werden. Typischerweise ist es nicht möglich, eine solche Prallstrahlkühlung über die gesamte Länge der Kammer zu erzeugen und somit wird eine Mischung aus Prallstrahlkühlung und Oberflächenwirbelerzeugern benutzt. Drittens wird in der Auskleidungsoberfläche eine Gruppe von Oberflächenvertiefungen, die außerdem als Grübchen oder halbkugelförmige konkave Ausnehmungen bekannt ist, erzeugt, um Wirbel zu erzeugen, die zur Vergrößerung des Wärmeübergangs beitragen. Diese verschiedenen bekannten Techniken verbessern den Wärmeübergang, wobei sie jedoch unterschiedliche Auswirkungen auf Temperaturgradienten und Druckverluste haben.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Zu exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung gehören ein Brennkammereinsatz für eine Gasturbine mit einem Körper, der eine Anzahl von schräg angeordneten Streifen an einer Außenseite des Brennkammereinsatzes aufweist. Die Anzahl schräg angeordneter Streifen ist als Gruppe um die Außenseite herum angeordnet. Zwischen allen geneigten Streifen sind Abstände ausgebildet, um in dem in Längsrichtung um die Außenseite des Brennkammereinsatzes fließenden Kühlluftstrom Wirbel zu erzeugen.

Exemplarische Ausführungsformen der Erfindung enthalten außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Brennkammereinsatzes. Zu dem Verfahren gehört die Ausbildung einer Anzahl im Winkel angeordneter Streifen an einer Außenseite des Brennkammereinsatzes, wobei diese in einer Gruppe um die Außenseite herum angeordnet sind, wobei jeder der im Winkel angeordneten Streifen beabstandet angeordnet sind, um in dem um die Außenseite des Brennkammereinsatzes herum fließenden Kühlluftfluss Wirbel zu erzeugen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Veranschaulichung einer bekannten Gasturbinenbrennkammer.
2 veranschaulicht eine Draufsicht auf eine Außenfläche eines Brennkammereinsatzes.
3 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform der Oberfläche nach 2.
4 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform der Oberfläche nach 2.
5 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform der Oberfläche nach 2.
6 veranschaulicht eine alternative Ausführungs form der Oberfläche nach 2.
7 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform der Oberfläche nach 2.
8 veranschaulicht die Geometrie und Fließorientierung der Oberfläche.
9 veranschaulicht einen Querschnitt von einem der Streifen.
10 ist ein Graph, der die Reynolds-Zahl über dem Verhältnis zwischen dem verwirbelten Oberflächenreibkoeffizienten zu dem glatten Oberflächenreibkoeffizienten veranschaulicht.
11 ist ein Graph, der die Reynolds-Zahl über dem Verhältnis zwischen dem verwirbelten Wärmeübergangskoeffizienten („HTC") zu dem HTC bei glatter Oberfläche veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In 1 ist eine Rohr-Umkehrfluss-Brennkammer 10 einer Ringanordnung veranschaulicht. Die Brennkammer 10 erzeugt die Gase, die zum Antrieb der Drehbewegung einer Turbine erforderlich sind, durch Verbrennung von Kraftstoff mit Luft in einem abgeschlossenen Raum und gibt die erzeugten Brenngase durch eine stehende Reihe von Leitschaufeln ab, die eine Turbinendüse bilden. In Betrieb kehrt von einem Kompressor abgegebene Luft 11 (komprimiert zu einem Druck in der Größenordnung von ungefähr 250 bis 400 Pfund/sq-in) ihre Richtung, wenn sie über die Außenseite der Brennkammern (eine angedeutet bei 14) um, wenn sie die Brennkammer auf ihrem Weg zu der Turbine erreicht (erste Stufe angedeutet bei 16). In der Brennkammer 18 werden komprimierte Luft und Brennstoff verbrannt und erzeugen Gase mit einer Temperatur von ungefähr 1500°C oder ungefähr 2730°F. Diese Brenngase strömen mit einer hohen Geschwindigkeit über ein Übergangsstück 20 in einen Gasturbinenabschnitt 16. Das Übergangsstück 20 schließt an einen Brennkammereinsatz 24 an dem Verbinder 22 an, jedoch kann bei einigen Applikationen ein gesondertes Anschlusselement zwischen dem Übergangsstück 20 und dem Brennkammereinsatz angeordnet sein. Der Brennkammereinsatz 24 und das Übergangsstück 20 haben eine Außenseite 26, über die die abgegebene Luft strömt, was den Brennkammereinsatz 24 kühlt.
Insbesondere liegt eine ringförmige Strömung von abgegebener Luft 11 vor, die konvektiv über die Außenfläche 26 (kalte Seite) des Einsatzes 24 geleitet wird. Bei einer exemplarischen Ausführungsform fließt die abgegebene Luft über einen Leitmantel 28, der einen ringförmigen Spalt 30 festlegt, so dass die Strömungsgeschwindigkeiten ausreichend hoch gehalten werden können, um hohe Wärmeübergangskoeffizienten zu erzeugen. Der Leitmantel 28, der sowohl an dem Brennkammereinsatz 24 als auch dem Übergangsstück 20 angeordnet ist, kann aus zwei miteinander verbundenen Hülsen bestehen. Der Leitmantel 28 weist eine Serie von Löchern, Schlitzen oder anderen (nicht veranschaulichten) Öffnungen auf, die es der vom Kompressor abgegebenen Luft 11 gestatten, sich in ausreichender Menge in den Leitmantel 28 zu bewegen, ohne einen großen Druckabfall zu erfahren.
Die 2 bis 7 veranschaulichen alternative Ausführungsformen von mit Winkeln und unterbrochenen Winkeln gemusterten Oberflächen, die an der Außenseite 26 (kalten Seite) des Brennkammereinsatzes 24 erzeugt oder eingearbeitet sind. Insbesondere veranschaulichen die Figuren die allgemeine Geometrie und Flussorientierung solcher Oberflächen. Es versteht sich, dass die 2 bis 7 nur einen Teil der verschiedenen Ausführungsformen repräsentieren, die durch die im Winkel angeordneten segmentierten Streifen 70 umfasst werden. Die verschiedenen Ausführungsformen verbessern die Unterstützung der Kühlung und insbesondere der konvektiven Kühlung, die an Brennkammereinsätzen und Übergangsstücken industrieller Gasturbinen erreicht werden kann.
Insbesondere veranschaulicht jede der Ausführungsformen die Ausbildung einer Gruppe von vorstehenden Streifen 40 in der speziellen Form von Winkeln, d.h. V-förmiger oder unterbrochener Winkelstreifen oder Zickzackanordnungen, die die Form eines V mit entfernter Spitze aufweisen, wobei außerdem eine erste Seite der V-Form gegen die zweite Seite der V-Form versetzt sein kann, um gestufte oder gegeneinander versetzte, im Winkel angeordnete Streifen zu erhalten. Die mit V-förmigen Streifen versehenen, entweder fluchtenden oder versetzten Winkelgruppen dienen dazu, die Grenzflächenströmung an der zu kühlenden Fläche aufzureißen und außerdem dazu, entlang der Winkelstreifen wesentliche Sekundärflusswirbel zu erzeugen. Diese sekundären Flüsse tragen zur Verbesserung des Wärmeübergangs bei und wirken außerdem in den Bereichen zwischen den Winkeln, um die Strömungen weiter zu mischen und zu unterbrechen. Die Kanten oder Enden dieser Streifen erzeugen außerdem lokale wärmeverteilende Wirbel. Bei der unterbrochenen Zickzackanordnung ist jeweils die Spitze der Winkel entfernt, wobei die gestuft orientierten Streifen, so wie die Winkel wirken, dabei jedoch zusätzlich vergrößerte Strömungen und einen Wärmeübergang an den zusätzlichen unterbrochenen Kanten verursachen.
Es wird auf die 2 bis 9 und insbesondere auf die 8 und 9 Bezug genommen, in denen die Streifen 40 segmentiert sind, so dass zwischen den V-förmigen Streifen und den gewinkelten Streifen Abstände 42 und 44 ausgebildet sind. Der Abstand 42 ist der Horizontalabstand zwischen den V-förmigen Streifen. Der Abstand 44 ist der Horizontalabstand der erzeugt wird, wenn die Spitze des Winkels beseitigt wird. Außerdem gibt es einen Abstand P, der den Längsabstand zwischen den Streifen 40 kennzeichnet. Bei einer exemplarischen Ausführungsform liegen die Abstände 42 und 44 in der gleichen Größe, jedoch ist es nicht erforderlich, dass die Abstände 42 und 44 gleich groß sind. Die Abstände 42 und 44 erzeugen unterschiedliche Kanten, an denen die vom Kompressor abgegebene Luft 11 mit den Kanten wechselwirkt, um Wirbel zur Erhöhung der Turbulenz des Flusses zu erzeugen. Es wird angemerkt, dass, während die Luft hauptsächlich in Längsrichtung fließt, die Abstände 42 und 44 an jedem Streifen 40 in Querrichtung ausgebildet sind.
Die V-förmigen Streifen 40 können zur Erzeugung eines Versatzes 46 versetzt oder gestuft sein, der durch die Teilung der Streifen 40 definiert ist. Jeder Streifen 40 ist so angeordnet, dass zwischen den Streifen 40 der Abstand P vorhanden ist. Bei einer exemplarischen Ausführungsform ist der Versatz 46 halb so groß wie der Abstand P zwischen beliebigen zwei Streifen 40 in Längsrichtung. Der Versatz 46 kann von 0,3 P bis 0,7 P gehen.
Die unterschiedlichen Winkel A der Streifen 40 erzeugen ein unterschiedliches Ausmaß eines lokalen Sekundär flusses oder sekundärer Flusswirbel. Die Größe des Winkels A des Streifens 40 liegt zwischen 30° und ungefähr 60° gegen eine horizontale Linie. Jeder Streifen 40 weist eine L auf, die zwischen 1 cm und ungefähr 2 cm liegt. Das Verhältnis zwischen dem Abstand P zwischen den Streifen und der Höhe H des Streifens (P/H) ist als Parameter definiert. Bei einer exemplarischen Ausführungsform liegt das Verhältnis P/H bei ungefähr 6 bis 14. Das Verhältnis bestimmt den bevorzugten Abstand der Streifen in einer Reihe derart, dass der Fluss die Fläche 26 zwischen allen Streifen wieder erreichen kann, um den besten Wärmeübergang zu erbringen. Ein anderer Parameter ist der Abstand 42 zwischen den Streifenreihen. Dieser Abstand muss groß genug sein, um zu gestatten, dass sich an den Kanten der Streifen Flusswirbel frei erzeugen. Bei einer exemplarischen Ausführungsform liegt der Abstand 42 bei dem Fünf- bis Zehnfachen der Höhe H. Es gibt keine Obergrenze für diesen Abstand 42, weil benachbarte Streifenkanten auch dann Wirbel erzeugen, wenn der Abstand sehr groß ist. Jedoch steht der Abstand 42 mit der Gesamtflächenvergrößerung, die durch die vorgestellten Geometrien erreicht wird, insoweit in Beziehung, dass ein geringerer Abstand eine strukturiertere Fläche und einen größeren Flächengewinn bedeutet.
Bei einer großen Brennkammer von ungefähr 14 bis 16 Zoll (35,5 bis 40,6 cm) Durchmesser liegt eine exemplarische Ausführungsform der Höhe H der Streifen 40 zwischen 0,020 Zoll (0,051 cm) und 0,120 Zoll (0,305 cm). Die Abstände 42 und Höhe H der Streifen 40 können entlang der Oberfläche variieren, wenn es gewünscht ist, die Kühlungsverbesserung ungleich zu verteilen. Außerdem kann durch Verwendung der Streifen in segmentierten Winkeln und segmentierten unterbrochenen Winkeln der Flächenbereich, mit dem die vom Kompressor abgegebene Luft 11 (das Kühlmittel) wechselwirkt, im Vergleich zur Verwendung glatter Außenseiten des Einsatzes (keine Streifen) um bis zu ungefähr 25 % erhöht werden.
9 veranschaulicht außerdem, dass an der Basis des Streifens ein Radius R vorhanden ist, der dazu beiträgt, die mechanischen Spannungen an jedem der Streifen zu vermindern. Zusätzlich weist der Streifen bei einer exemplarischen Ausführungsform eine flache Oberseite 50 auf, um eine Verbesserung der Turbulenz in der Strömung der vom Kompressor abgegebenen Luft zu ermöglichen. Es ist einzusehen, dass der Radius und die flache Oberseite bei mechanisch bearbeiteten Streifen typisch sind, wobei andere Herstellungsverfahren in Betracht zu ziehen sind, die gerundete Oberseiten oder an der Basis sehr geringe Radien erzeugen können.
Die Abstände 42, 44 und der Versatz 46 liefern eine zusätzliche Störung, um die Turbulenz der Strömung zu erhöhen. Die Erhöhung der Turbulenz ermöglicht das Aufrühren des Flusses der Kompressorluft 11 an der Außenseite 26 des Einsatzes, was frische Kompressorluft an die Außenseite des Einsatzes heranbringt. Mit anderen Worten, Kompressorluft, die von der Oberfläche weiter weg und somit kühler ist, wird an die Einsatzoberfläche herangebracht, wodurch der kühleren Luft ermöglicht wird, den Wärmeübergang der Oberfläche zu verbessern. Es wird angemerkt, dass, wenn die Streifen 40 zu nahe beieinander sind, die Luftströmung tatsächlich von der zu kühlenden Fläche getrennt oder isoliert werden kann. Zusätzlich werden die Oberflächenstrukturen, wenn die Streifen 40 zu klein sind, keine wesentlichen Sekundärströmungen entlang der Richtung der Streifen 40 erzeugen.
Die Streifen 40 sind in einer speziellen Weise ausgerichtet, so dass der Großteil der Kompressorluft 11 über die Streifen 40 in der Längsrichtung fließt. Der Luftstrom erzeugt viele und wohl platzierte Kantenwirbel in der Strömung unmittelbar an der zu kühlenden Fläche. Es wird angemerkt, dass die Strömung in Längsrichtung entweder von oben nach unten oder von unten nach oben festgelegt sein kann, wie durch den Doppelpfeil veranschaulicht ist. Während der Doppelpfeil die Strömung entweder von oben nach unten oder von unten nach oben strömend veranschaulicht, kennzeichnet der Richtungswechsel alternative Orientierungen der Streifen 40 und nicht etwa eine Veränderung der Hauptströmungsrichtung zwischen der Brennkammerauskleidung und dem Flussleitmantel oder zwischen dem Übergangsstück und dem Strömungsleitmantel. Diese geformten und orientierten Streifen erbringen außerdem die Funktion der Vergrößerung der wärmeübertragenden Oberfläche zur Verbesserung des Wärmeflusses wie auch der Verteilung der Kühlungsverbesserung über die gesamte Fläche.
Verfahren zur Ausbildung der Streifen 40 an der Außenseite 26 sind Gießen, spanendes Bearbeiten, Hartlöten, Schweißen oder spezielle Anlagerungstechniken, wie beispielsweise Laserkonsolidierung oder ähnliches, die es gestatten, an dem Einsatz 24 die Streifen 40 auszubilden, nachdem der Einsatz 24 hergestellt worden ist. Somit können die Streifen 40 als Teil des Einsatzes 24 integriert hergestellt oder nach der Herstellung des Einsatzes an demselben befestigt werden. Wenn die Streifen 40 als Teil des Einsatzes 24 integriert hergestellt werden (z.B. spanendes Bearbeiten, Gießen usw.) sind die Streifen 40 mit dem Einsatz 24 vollständig verbunden und es gibt keine Trennfläche zwischen dem Einsatz und den Streifen. Somit besteht vollständiger thermischer Kontakt zwischen den Streifen 40, die in den Einsatz 24 integriert sind, was den Wärmeübergang verbessert, wenn die Kompressorluft 11 über die Streifen 40 fließt. Alternativ können die Streifen an der Oberfläche 46 angebracht und dann in einer solchen Weise angeschlossen, beispielsweise geschweißt werden, dass ein nahtloser Übergang zu der Außenseite 26 des Einsatzes hergestellt. wird.
Die Streifen erbringen eine höhere thermische Belastbarkeit im Vergleich zu konventionellen Verfahren gemäß des Stands der Technik und speziell bei Reynolds-Zahlen von beispielsweise 500.000 bis 1.000.000, die für den Brennkammerkühlkanal typisch sind. Neuere Untersuchungen haben gezeigt, dass die konventionelle Praxis bei der Verwendung von Querverwirblern zur Auskleidungskühlung einen reduzierten Wärmeübergangsfaktor zur Folge haben kann, weil die Reynolds-Zahl des Kühlflusses bei Brennkammern für niedrige Emissionen auf sehr hohe Werte erhöht wird, d.h. Reynolds-Zahlen z.B. in der Größenordnung von 500,000 bis 1,000,000. Die hier veranschaulichten exemplarischen Ausführungsformen liefern einen um 15 bis 25 % verbesserten Wärmeübergangskoeffizienten und zusätzlich eine Oberflächenvergrößerung von 10 bis 20 %, was eine Erhöhung des Wärmeflusses oder der Kühlkapazität von 20 bis 40 % bedeutet. Die Streifen 40 haben außerdem einen unerwarteten Nutzen hinsichtlich der Verbesserung des Wärmeübergangs vom Beginn der Oberflächengestaltung entlang der gesamten Oberfläche, wobei beide Charakteristika bei herkömmlichen verwirbelnden Flächen so nicht bekannt ist.
Die 10 und 11 veranschaulichen die Vorzüge der Verwendung segmentierter Streifen. In 10 veranschaulicht die Horizontalachse die Reynolds-Zahl und die Vertikalachse repräsentiert das Verhältnis des Reibkoeffi zienten einer wirbelerzeugenden Fläche zum Reibkoeffizienten der glatter Fläche. Diese Figur veranschaulicht, dass die Verwirbelung bei allen verschiedenen Reynolds-Zahlen oder Flussvolumina (und insbesondere die hohen Reynolds-Zahlen) sowohl für die unterbrochen gewinkelten Streifen 40 als auch die V-förmigen Steifen 40 größer sind als bei glatter Oberfläche, die keine Streifen aufweist, sowie gegenüber quer angeordneten Verwirblern, zu denen über die Fläche verteilt angeordnete horizontale Streifen gehören. In 11 repräsentiert die Horizontalachse die Reynolds-Zahl und die Vertikalachse repräsentiert das Verhältnis des Wärmeübergangskoeffizienten für eine verwirbelnde Fläche („HTC") und der HTC bei glatter Oberfläche. Diese Figur veranschaulicht, inwieweit der Wärmeübergangskoeffizient für alle verschiedenen Reynolds-Zahlen oder Flussvolumina (und insbesondere für hohe Reynolds-Zahlen) sowohl für unterbrochene Winkelstreifen 40 als auch für V-förmige Winkelstreifen 40 im Vergleich zu Querverwirbelungsstrukturen größer ist, die beispielsweise durch horizontale, über die Fläche verteilte Streifen gebildet werden.
Eine auch als Brennkammereinsatz bezeichnete Brennkammerauskleidung 24 für eine Gasturbine 16 enthält einen Körper mit einer Anzahl gewinkelter Streifen 40 an seiner Außenseite 26. Die gewinkelten Streifen 40 sind in einer Gruppe über die Außenseite 26 verteilt. Zwischen den gewinkelten Streifen 40 ist ein Abstand 42, 44, P vorhanden, der so bemessen ist, dass in der Kühlluft, die in Längsrichtung über die Außenfläche 26 des Brennkammereinsatzes 24 fließt, Wirbel erzeugt werden. Ein Verfahren zur Herstellung eines Brennkammereinsatzes 24 beinhaltet die Ausbildung einer Anzahl von gewinkelten Streifen 40 an einer Außenseite 26 des Brennkammereinsatzes 24, die in einer Gruppe über die Außenseite 26 verteilt sind, wobei die gewinkelten Streifen 40 so angeordnet sind, dass sie voneinander beabstandet sind, um in der Kühlluft Wirbel zu erzeugen, die über die Außenseite 26 des Brennkammereinsatzes 24 fließt.
Während die Erfindung mit Bezug auf exemplarische Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht es sich für den Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente für Elemente der Erfindung eingesetzt werden können, ohne den Geist derselben zu verlassen. Zusätzlich können viele Modifikationen zur Anpassung an spezielle Situationen oder spezielles Material vorgenommen werden, ohne den wesentlichen Geist der Erfindung zu verlassen. Deshalb ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die spezielle geoffenbarte Ausführungsform als der beste zur Ausführung der Erfindung in Betracht gezogene Modus beschränkt ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen abdeckt, die in den Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche fallen. Außerdem sind die Begriffe erster, zweiter usw. nicht dazu angetan, irgendeine Reihenfolge oder Bedeutung zu kennzeichnen, sondern sie dienen lediglich zur Unterscheidung der Elemente voneinander.

10: Brennkammer
11: Kompressorluft
14: Kompressor
16: Turbine
18: Kammer
20: Übergangsstück
22: Verbinder
24: Brennkammerauskleidung, -einsatz
26: Außenfläche
28: Leitmantel
30: Spalt
40: Streifen
42: Abstand
44: Abstand
46: Versatz
50: Flache Oberseite
P: Abstand
A: Winkel
R: Radius
L: Länge

Claims

Brennkammereinsatz (24) für eine Gasturbine (16): mit einem Körper mit einer Anzahl gewinkelter Streifen (40) an einer Außenseite (26) des Brennkammereinsatzes (24), die in einer Gruppe an der Außenseite (26) angeordnet sind und mit einem Abstand (42, 44, P) zwischen den gewinkelten Streifen (40), um in einer Kühlluft Wirbel zu erzeugen, die in einer Längsrichtung über die Außenseite (26) des Brennkammereinsatzes (24) strömt.
Brennkammereinsatz (24) nach Anspruch 1, bei dem jeder der gewinkelten Streifen (40) eine V-Form aufweist.
Brennkammereinsatz (24) nach Anspruch 1, bei dem jeder der gewinkelten Streifen (40) eine V-Form mit entfernter Spitze der V-Form aufweist.
Brennkammereinsatz (24) nach Anspruch 1, bei dem jeder der gewinkelten Streifen (40) eine V-Form mit entfernter Spitze der V-Form aufweist, um eine erste Seite und eine zweite Seite zu erzeugen, wobei die erste Seite in Längsrichtung gegen die zweite Seite versetzt ist.
Brennkammereinsatz (24) nach Anspruch 4, wobei die erste Seite gegen die zweite Seite um ungefähr 0,3 bis ungefähr 0,7 des gesamten Längsabstands zwischen den gewinkelten Streifen (40) versetzt ist.
Brennkammereinsatz (24) nach Anspruch 4, bei dem der Abstand (42, 44, P) die Spitze beinhaltet, die von der V-Form entfernt worden ist, wobei ein Querabstand (42) zwischen den V-Formen und ein Längsabstand (P) zwischen den gewinkelten Streifen (40) vorhanden ist.
Brennkammereinsatz (24) nach Anspruch 1, bei dem jeder der mehreren gewinkelten Streifen (40) eine Höhe von ungefähr 0,02 Zoll bis ungefähr 0,12 Zoll aufweist.
Brennkammereinsatz (24) nach Anspruch 1, bei dem der Abstand (42, 44, P) einen Längsabstand (P) und einen Querabstand (42, 44) umfasst, wobei der Längsabstand (P) zwischen dem gewinkelten Streifen (40) als Verhältnis des Querabstands (42, 44) zwischen den gewinkelten Streifen (40) zu einer Höhe jedes der gewinkelten Streifen (40) definiert ist, wobei das Verhältnis von ungefähr 6 bis ungefähr 14 reicht.
Brennkammereinsatz (24) nach Anspruch 8, bei dem der Querabstand (42, 44) durch das ungefähr Fünf- bis ungefähr Zehnfache der Höhe jedes der gewinkelten Streifen definiert ist.
Brennkammereinsatz (24) nach Anspruch 1, bei dem jeder der gewinkelten Streifen (40) einen Winkel gegen die Horizontalrichtung aufweist, wobei der Winkel von ungefähr 30° bis ungefähr 60° reicht.