DE10248548A1

DE10248548A1 - Coolable component

Info

Publication number: DE10248548A1
Application number: DE2002148548
Authority: DE
Inventors: Stefan Tschirren; Bernhard Prof. Dr. Weigand; Jens von Prof. Dr. Wolfersdorf
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2002-10-18
Filing date: 2002-10-18
Publication date: 2004-04-29
Also published as: WO2004035992A1; AU2003301451A1

Abstract

Auf Wänden von Kühlkanälen (14) eines kühlbaren Bauteils, beispielsweise eines Brennkammerwandsegmentes (11), sind Unebenheitselemente (6), mit definierter Geometrie gezielt angeordnet. Die Höhe der Unebenheitselemente liegt im Bereich von 2% bis 5% des hydraulischen Durchmessers des Kühlkanals. Die Elemente sind damit gerade groß genug, um in der wandnahen laminaren Unterschicht einer vollturbulenten Kühlströmung einen turbulenten Queraustausch mit der Kernströmung anzuregen. Dadurch wird der wandnahe kühlungsseitige Wärmeübergang deutlich verbessert, ohne durch eine Beeinflussung der Kernströmung den Druckverlust der Kühlströmung signifikant zu erhöhen.On the walls of cooling channels (14) of a coolable component, for example a combustion chamber wall segment (11), unevenness elements (6) with a defined geometry are specifically arranged. The height of the unevenness elements is in the range of 2% to 5% of the hydraulic diameter of the cooling channel. The elements are just big enough to stimulate a turbulent cross exchange with the core flow in the laminar lower layer of a turbulent cooling flow close to the wall. This significantly improves the heat transfer on the cooling side near the wall without significantly increasing the pressure loss of the cooling flow by influencing the core flow.

Description

Technisches Gebiettechnical area

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.The present invention relates to a coolable Component according to the preamble of claim 1. Such components are special for the Use in the hot gas path of gas turbines, in particular as blades and suitable as wall elements. The wall elements are preferred as combustion chamber wall elements of gas turbines. It will furthermore methods for the design and manufacture of cooled components according to the invention described.

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.In the case of components subject to high thermal loads, such as occur in particular in gas turbines, it is known according to the prior art to provide channels through which coolant flows in the components or on their surface. While heat is introduced into the component from a hot gas side during operation, a coolant flowing through the cooling channels absorbs heat from the component and thus prevents the component from overheating. The designer's goal must be to reduce the heat input on the hot gas side by using insulation materials such as TBC protective layers or by film cooling and, on the other hand, to stimulate the heat transfer on the cooling side. For example, the use of ribs is known, as in the EP 825 332 described, or by pins, as from the DE 196 54 115 known, which protrude into the coolant-carrying channels, and in particular induce turbulence, which intensify the cross exchange in the flow and thus the heat dissipation from the component. However, the elements described there lead to a comparatively large blockage of the cooling channels. The eddies generated are also large in relation to the cooling channel dimensions. Together, this leads to considerable pressure losses in the cooling channels. Air is normally used as a coolant in gas turbines by the compressor. For various reasons, such as efficiency, only a limited amount of cooling air is available, and also only a limited pressure drop for driving the cooling air flow. The designer is therefore faced with the task of achieving increased heat transfer with at the same time low pressure losses in the cooling flow.

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. EP 945 201 teaches to design cooling channels with rough walls. The teaching described there is based on the knowledge that with the high Reynolds numbers that occur in cooling ducts of gas turbines - typically around 60,000 - 200,000 in cooling ducts of blades and, for example, 300,000 and above when cooling combustion chambers - a completely turbulent flow anyway with cross exchange, which is, however, underlaid in the immediate vicinity of the wall by a laminar underlayer, which hinders the cross exchange of heat between the core flow in the cooling channel and the wall. The invention described there suggests, in the production of cooling channels in blades, either not to process the surface of the cast cores at all or with comparatively coarse tools, or even to additionally roughen them, for example by sandblasting. In this way, a stochastic and in particular full-surface roughness with geometrically undefined roughness elevations is impressed on the casting core - analogously also on a casting mold - and thus on the workpiece. The roughness is defined by the roughness parameter D / 2 · ks. k _s is called the grain roughness; D is the diameter of a pipe with flow. For non-circular channel cross-sections, in the case of fully developed turbulent flow, which is the case with the available Reynolds numbers, the so-called hydraulic diameter can be used, which is defined as D ,, _ 4 · A / U, with A being the channel cross-section and for U its wetted size is to be used. The smaller the roughness parameter, the rougher the channel wall. The DE 945 201 compares values with a roughness parameter of 125 as an example with values with roughness parameters of 60.

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.From a publication in ISROMAC-7, Honululu, Hawaii (1998): 1682-1693 is a numerical calculation method of pressure drops and heat transfers walls known with bump elements. With the help of this method, the roughness or unevenness of the cooling duct wall with regard to heat transfer and pressure loss can be optimized. The known from the prior art stochastically rough walls but only allow the roughness parameter to be varied while the areal distribution and the geometry of the bump elements cannot be defined. Even the actual one Height of individual Bumps is just about Statistics defined.

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.The invention is therefore the object underlying a chilled Component according to specify the preamble of claim 1, which has the disadvantages avoids the prior art. It is particularly the job of Present invention to specify the component so that a targeted Setting and optimization of pressure losses and heat transfers at the Cooling channel walls is possible and that these sizes one also locally resolved Calculation accessible are.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit einem kühlbaren Bauteil gelöst, welches die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.According to the invention, this task is accomplished with a coolable Component detached, which has the entirety of the features of claim 1.

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.The essence of the invention is, therefore the walls of cooling channels from coolable Components unevenness elements in a targeted manner and in regular patterns to arrange. The targeted arrangement enables unevenness elements, in contrast to a stochastic roughness, in defined and controlled distances from each other. It is the same with a component according to the invention possible, on the canal walls Bump elements of a defined geometry and a defined Order height, being the height equivalent to the bump elements can be considered for sand grain roughness. The relative height of Roughness elements, based on the hydraulic diameter of the Cooling channel, vary easily in different areas of the channel walls. The relative height in any case more than 75% of the unevenness elements, preferably all Unevenness elements, based on the local hydraulic diameter, but always in the range of 0.01 to 0.05, according to a roughness parameter from 10 to 50; the relative height of the unevenness elements is preferred selected in the range from 0.02 to 0.03. The geometry of the unevenness elements can also optionally be defined become; so they can Roughness elements standing up on the channel wall, for example Pens or mushroom-shaped Elements, or as in ISROMAC-7, Honululu, Hawaii (1998): Shown 1682-1693, hemispheres of a certain diameter his; this geometry can of course also be dependent of an optimally calculated design in different areas the canal walls vary.

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.In one embodiment of the invention, the unevenness elements are arranged equidistantly on the channel walls, in particular on the basis of an arrangement in regular triangles or squares. Depending on the chosen manufacturing process, this can lead to a significant simplification of the manufacturing process. Again, the pattern of the arrangement and the spacing of the unevenness elements can vary in different areas of the channel walls. In contrast to stochastic roughness, the possibility of arranging the unevenness elements in a targeted manner and very variably over the extent of a cooling channel opens up the possibility of specifically arranging the unevenness as it is according to design calculations using numerical boundary layer models, such as those in ISROMAC-7, for example. Honululu, Hawaii (1998): 1682-1693, is desirable. On the other hand, there are very significant advantages over the teaching when designing coolable parts according to the invention EP 825 332 and DE 196 54 115 , where the expert clearly receives the teaching of arranging macroscopic elements in the form of ribs or pins. This is because they have a considerable degree of blockage of the cooling channels and generate large-scale turbulence, the extent of which is in the order of magnitude of the channel transverse extent. The entire coolant flow is therefore influenced there; overall, considerable pressure losses result from the prior art. According to the invention, unevenness elements are deliberately arranged in such a way that they protrude straight from the laminar underlayer of a fully turbulent channel flow - this condition is certainly fulfilled with the inflow Reynolds numbers under discussion of around 200,000 to 400,000 and above - thus small-scale turbulence in the Generate laminar sub-layer, i.e. in the immediate vicinity of the wall, and ultimately represent a link for the turbulent cross exchange between the wall and the fully turbulent core flow in the cooling channel. The bump elements are therefore also called microturbulators - In contrast to the macroturbulators known from the prior art - or referred to as green-layer or lower-layer turbulators, because their mode of operation according to the invention consists in introducing specific turbulence and thus ultimately cross-exchange into the laminar lower layer of the cooling channel flow.

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.Of course, it is readily possible to combine a specific, regular arrangement of unevenness elements, microturbulators, with macroscopic turbulators known per se. Here, for example, the turbulators are sufficient EP 825 332 well-known ribs made from DE 196 54 115 known pins, or also vortex-generating elements, so-called VGs, which CH 688868 have become known, but this list is by no means to be understood as exhaustive. In comparison to the unevenness elements according to the invention, these macroscopic elements have a much greater extension out of the channel wall; the height of these elements clearly exceeds 10% of the hydraulic diameter and is usually above 20% of the hydraulic diameter of the cooling channel. Furthermore, it is also easily conceivable and possible to incorporate depressions arranged in regular patterns into the cooling channel walls and to arrange them between these unevenness elements. For example, dimples can be used for the depressions; these are dome-shaped indentations of the surface, in the manner in which they are arranged, for example, on the surface of a golf ball.

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.Coolable components according to the invention are suitable in particular as blades or wall elements in the hot gas path of Gas turbines. As a wall element, in particular as a wall element Gas turbine combustion chamber, the coolable component according to the invention has a hot gas side and one opposite to it cooling page on, being in the cooling side at least one cooling channel is arranged.

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.To manufacture a component whose cooling channel or cooling channels unevenness elements according to the invention, depending on the specific circumstances, different procedures are available. For cooling ducts that run completely inside the component, as is the case with turbine blades in particular, the designer finds a very complicated geometry at the outset, and high-precision casting cores, which generally consist of ceramic materials, are required to produce the cooling ducts. There is actually only the possibility of molding the elements into the ceramic green bodies, which means a very high effort overall. The situation is easier with cooling ducts in shingle-like combustion chamber wall segments, which are generally open on the cooling side. Wax kernels are usually used there. On the one hand, it is possible to already provide the unevenness elements in the tools for producing the wax cores; this is useful when tools are being redesigned. If existing tools are to be used, it is also advisable to first produce the wax core with a flat surface, and to subsequently incorporate the unevenness elements into the wax core using a heated tool or to glue wax particles on. The unevenness elements are produced during casting, i.e. during primary shaping. Due to the relative dimensions of the details to be produced, this production is at the limit of the precision that can be achieved with casting processes today, so that small edges and details may only be blurred in the finished workpiece. Another manufacturing method first produces cooling channels with smooth, flat walls. The unevenness elements are then introduced into the metal surface by further processing steps such as grinding, pressing, eroding or lasering. It is also possible to weld or solder the unevenness elements, which enables a particularly well-defined geometry of the unevenness elements, or to produce them by means of a weld overlay; The decisive factor here is that the joint connection withstands the expected material temperatures. This is the most complex manufacturing process, but has the advantage that even small unevenness elements are very well defined and arranged with small tolerances. A regular arrangement of the unevenness elements makes the manufacturing process considerably easier and also rationalizes the provision of the necessary tools.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung illustrierten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Im einzelnen zeigenThe invention is described below of exemplary embodiments illustrated in the drawing. in the individual show

1 und 2 ein erstes Beispiel eines erfindungsgemässen Bauteils als Turbinenschaufel; 1 and 2 a first example of a component according to the invention as a turbine blade;

3 eine weitere Ausführung eines erfindungsgemässen Bauteil, als Brennkammer-Wandsegment; 3 a further embodiment of a component according to the invention, as a combustion chamber wall segment;

4 bis 7 Beispiele für die Anordnung und Geometrie von Unebenheitselementen in Kühlkanälen. 4 to 7 Examples of the arrangement and geometry of bump elements in cooling channels.

Dabei sind die dargestellten Ausführungsbeispiele lediglich instruktiv und keinesfalls einschränkend zu verstehen.The illustrated embodiments are to be understood only as instructive and in no way restrictive.

Weg zur Ausführung der ErfindungWay to execute the invention

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 D_H 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 D_H = 4·A/D definiert, wobei A der Strömungsquerschnitt und U der benetzte Kanalumfang ist. Im vorliegenden Fall bestimmt sich der hydraulische Durchmesser aus D_H = 2·b·t/(b + t) Die Kühlluftströmung weist eine Reynoldszahl Re = u·D_H/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 D_H/2·h zu definieren wäre; umgekehrt kann auch eine relative Höhe der Unebenheitselemente als h/D_H 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.The 1 and 2 show a turbine blade as a first example of a coolable component according to the invention 1 , The turbine blade 1 is in operation by a hot gas flow 2 flowed towards and on a hot gas side 3 flows around. There is a cooling channel inside the blade 4 arranged by a flow of cooling air 5 is flowed through. Usually, this cooling air duct feeds outgoing holes on the hot gas side for blowing out cooling air, which are readily familiar to the person skilled in the art, but are not shown here since they are not directly relevant to the invention. The representation of the cooling air duct is by no means to scale, and in reality turbine blades are interspersed with cooling air ducts in much more complex geometries. In the present case, however, it is a highly schematic representation that serves less for the detailed representation of a gas turbine component than for the visualization and clarification of the relevant technical features, which clearly differentiate the invention from the prior art. In the present case, the cooling channel is shown as rectangular with the cross-sectional dimensions b and t. Provided that the cooling air flow 5 is fully turbulent, which condition is generally fulfilled for gas turbine components, the cross section of the cooling channel for the cooling flow can also be replaced by the hydraulic diameter D _H. This is defined as the diameter of an imaginary channel with a circular cross-section, which has an identical ratio of cross-sectional area to wetted circumference. This equivalent replacement is permissible because with a fully turbulent flow, the flow velocity is almost constant over the entire flow cross-section and the pressure loss is only caused by the wall shear stress. The hydraulic diameter is generally defined by D _H = 4 · A / D, where A is the flow cross-section and U is the wetted channel circumference. In the present case, the hydraulic diameter is determined from D _H = 2 · b · t / (b + t) The cooling air flow has a Reynolds number Re = u · D _H / υ, where υ represents the kinematic viscosity of the cooling air and u the mean flow velocity , which Reynolds number is greater than 50,000, and is typically in the range from 50,000 to 150,000 and above for blade cooling, and assumes typical values in combustion chambers of more than 300,000. The condition of a fully turbulent flow in the cooling channel 4 is already fulfilled after a short run-in distance. This means that there is an intensive cross-exchange of impulse and heat across the entire duct cross-section, with the exception of a laminar underlayer on the duct walls of the order of a hundredth to tenth of a millimeter thick, which in fact reduces the heat transfer from the duct walls into the cooling flow. According to the invention, unevenness elements are targeted on the channel walls 6 arranged, the elevation into the channel is the dimension h, which is large enough to penetrate the laminar lower layer and to a certain extent create a link between the channel wall and the turbulent core flow. To characterize the height of the unevenness elements, the term roughness parameter has become established in fluid dynamics, which should be defined here as D _H / 2 · h; conversely, a relative height of the unevenness elements can also be defined as h / D _H. This relative height determines the pressure losses of the cooling air flow and the heat transfer from the wall to the cooling air flow. Given the high Reynolds numbers of the cooling air flow, it has been shown that an increase in the relative height of the bump elements 6 about 5% has practically no significant influence on the heat transfer, but drastically increases the pressure loss coefficient of the cooling channel. It has been shown that, depending on the particular constellation, relative heights of the unevenness elements between 1% and 5%, in particular 2% to 3%, represent the best compromise between low pressure losses and good heat transfers for the high Reynolds numbers. Since the production of the unevenness elements, in particular in closed cooling channels, is naturally subject to comparatively large tolerances, it makes sense here that more than 75%, preferably more than 90%, of the unevenness elements should be in the specified range of the relative height. It has also been shown in calculations with numerical boundary layer methods that the arrangement and also the geometry of the unevenness elements on the channel walls have a decisive influence on their performance. It is, therefore, as special in 1 to see the bump elements 6 specifically arranged on the channel walls, here, for example, equidistant on a triangular pattern. This arrangement pattern, as well as the height and shape of the bump elements, can of course vary in different areas of the channel walls. In contrast to stochastic roughness, the targeted arrangement of unevenness elements enables the relationship between pressure loss and heat transfer to be optimized based on the results of numerical calculations. In contrast to the sand grain roughness model, it was also found that a scatter in the height of the roughness elements and locally occurring height differences have a very decisive influence on the pressure loss and the heat transfer. For example, it can happen that a configuration consisting of two high and three small roughness elements arranged in a targeted manner is far superior to a configuration with five roughness elements of identical size, although the average roughness depth - or the roughness parameter - is the same in both cases, which is a global view below Taking into account the equivalent sand grain roughness is not recorded; according to these models, the values of both configurations should be identical. Furthermore, the geometry of the unevenness elements can optionally also be defined, which opens up a further optimization parameter. As can be seen in the figure, there are between the individual unevenness elements 6 quite large distances, which is beneficial to the pressure loss coefficient of the cooling channel 4 effects; if, on the other hand, the channel walls are provided with a stochastic roughness of the same roughness parameter, practically the entire channel walls have unevenness elements, which results in increased pressure losses without favorably influencing the heat transfer to even approximately the same extent.

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 D_H 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. 3 shows a further embodiment of the invention. A combustion chamber wall segment is shown 11 , In operation, this element is exposed to hot gas on its hot gas side 2 overflows while cooling channels 14 are flowed through by cooling air. The wall segment 11 consists of a generally metallic base element 12 , on the hot gas side, in particular a ceramic temperature protection layer 13 is applied, which in itself is the heat input into the thermally extremely highly stressed wall segment 11 reduced. There are three cooling channels on the opposite side 14 identical width b and depth t arranged. A hydraulic diameter D _H can also be assigned to these channels in the manner mentioned above. Unevenness elements are also specifically arranged on the channel walls and, in terms of their relative height, based on the hydraulic diameter of the channels, meet the conditions set out above. In the example are the bump elements 6 only arranged on one of three channel walls. That the cooling channels 14 are not completely enclosed, but have an open side, has a major impact on the possibilities for manufacturing and shaping the unevenness elements. In contrast to completely enclosed cooling channels, the unevenness elements must 6 namely not be produced directly with the primary shaping, but can be due to the accessibility of the channel walls by machining or subsequent joining or Applied. For example, the unevenness elements can be produced by milling, grinding, pressing, eroding or laser processing; on the other hand, prefabricated elements can be welded on, soldered on, or attached to the channel walls by other suitable joining methods which can withstand the loads occurring during operation, which allows the most defined geometries. Production by build-up welding is also quite suitable. Of course, it is also possible in any case to produce the unevenness elements during the primary shaping. In the case of a combustion chamber wall segment of the type shown, the cooling channels are usually shaped by wax cores. On the one hand, the wax tool can be shaped accordingly to form a negative of the desired unevenness elements. The roughness elements can also be worked into a smooth surface of a wax tool using a heated tool or glued on in the form of wax particles. The production during the primary shaping is, in comparison to a subsequent processing of the metal surface, significantly less complex; however, the precision to be achieved is significantly lower, since the unevenness elements with their small size are at the limit of the achievable accuracy of casting processes. The manufacturing process to be selected in the individual case is ultimately a result of a trade-off between the necessary manufacturing accuracy and the manufacturing costs.

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.The 4 to 7 offer an insight into the variety of possible arrangements and geometries of bump elements. It shows 4a a top view of a component 12 with a cooling channel 4 , in which different geometries of bump elements 6A . 6B . 6C . 6D are arranged in different patterns, whereby neither the element geometries shown nor the arrangement patterns are to be considered conclusively. The representation is also not to scale; the unevenness elements are shown greatly enlarged in the sense of an effective representation. 4b shows a side view of the channel with the bump elements. In a first area of the cooling channel there are hemispherical bump elements 6A recognizable in an equidistant arrangement. Further downstream of the cooling flow 5 are conical elements 6B and elements 6C arranged with pyramid geometry. Rod-shaped unevenness elements are located in a further area of the channel wall 6D on a square arrangement pattern. Other arrangement patterns and element geometries are also possible. A variation in the height and / or shape of the unevenness elements can be used to influence the local heat transfer in a targeted manner. A variation of the geometry can in particular contribute to realizing locally different turbulence patterns and thus also different heat transfers. Due to the targeted and well-defined arrangement of the unevenness elements, the heat transfer and the pressure loss at the different points of the duct walls are easily accessible locally resolved for numerical calculation with the help of boundary layer models. Conversely, the arrangement and geometry of the unevenness elements can be set with the aid of the calculations in such a way that the best relationship between pressure loss and heat transfer results.

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. 5 shows another possible embodiment of a cooling channel in a coolable component according to the invention. The mixed arrangement of unevenness elements, microturbulators, is interesting 6 with rib-shaped macroturbulators 7 which are known per se from the prior art.

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. 7 shows an arrangement in which microturbulators 6 and aerodynamic vortex generating elements 7 are arranged in a cooling channel. These vortex generating elements, which are also referred to as vortex generators, VGs, are from the CH 688868 It has become known which document has an integral part of the present description with regard to the description of these elements. This mixed arrangement is capable of developing far-reaching synergetic effects of macroturbulators and microturbulators, in terms of improving the heat transfer with the lowest possible pressure loss or improving the operating range of the turbulence generation. For example, the macroturbulators 7 be arranged in order to influence the core flow in a targeted manner over a large area. The microturbulators influence the boundary layer or laminar lower layer of the coolant flow, which is only insufficiently captured by the macro vortex, without influencing the core flow, and in particular without causing additional pressure losses. This can be advantageous if the coolant flow has only a low Reynolds number in special cases, or if the Reynolds number of the coolant flow varies greatly during operation, such that a fully turbulent coolant flow is not always guaranteed, of course. In this case, the markoturbulators create favorable flow conditions for the duct sections provided with microturbulators or unevenness elements, which in turn develop their advantageous effect there in the manner described above. Of course, it would also be quite possible to design the unevenness elements, microturbulators, rib-shaped or as VG's; the decisive criterion is the relative height compared to the hydraulic diameter of the flow channel.

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.The 7 finally shows a configuration in which depressions are made on the walls of a cooling duct 8th in combination with microturbulators 6 are arranged. With these depressions 8th it is in the case shown are so-called dimples. These are dome-shaped depressions, similar to those that are arranged on the surface of a golf ball, and here in connection with the unevenness elements 6 can effectively influence the boundary layer and ultimately the heat transfer close to the wall.

11: Bauteil, Turbinenschaufelcomponent turbine blade
22: HeissgasströmungHot gas flow
33: HeissgasseiteHot-gas side
44: Kühlkanalcooling channel
55: Kühlströmungcooling flow
66: UnebenheitselementeRub elements
6A, 6B, 6C, 6D6A, 6B, 6C, 6D: UnebenheitselementeRub elements
77: Makroturbulatoren (Rippen, VG's)Makroturbulatoren (Ribs, VG's)
88th: Einsenkungen, "Dimples"Depressions, "dimples"
1111: Bauteil, Wandelement, Brennkammerwandsegmentcomponent Wall element, combustion chamber wall segment
1212: Grundmaterialbase material
1313: TemperaturschutzschichtTemperature protective coating
1414: Kühlkanalcooling channel
bb: KühlkanalabmessungCooling channel dimensions
tt: KühlkanalabmessungCooling channel dimensions
hH: Höhe der UnebenheitselementeHeight of the bump elements

Claims

Kühlbares Bauteil (1, 11), insbesondere für die Verwendung im Heissgaspfad einer Gasturbine, mit einer Heissgasseite (3, 13) und wenigstens einem Kühlkanal (4, 14), welcher einen hydraulischen Durchmesser aufweist, wobei auf den Kühlkanalwänden Unebenheitselemente (6) angeordnet sind, deren Höhe (h) bezogen auf den hydraulischen Durchmesser des Kühlkanals im Bereich von 0.02 bis 0.05 liegt., dadurch gekennzeichnet, dass die Unebenheitselemente gezielt in regelmässigen Mustern auf den Kanalwänden angeordnet sind.Coolable component ( 1 . 11 ), especially for use in the hot gas path of a gas turbine, with a hot gas side ( 3 . 13 ) and at least one cooling channel ( 4 . 14 ), which has a hydraulic diameter, with unevenness elements ( 6 ) are arranged, the height (h) of which is based on the hydraulic diameter of the cooling duct in the range from 0.02 to 0.05., characterized in that the unevenness elements are specifically arranged in regular patterns on the duct walls.

Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Unebenheitselemente äquidistant angeordnet sind.Component according to claim 1, characterized in that the bump elements are arranged equidistant are.

Bauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Muster in verschiedenen Bereichen der Kanalwände variieren.Component according to one of claims 1 or 2, characterized in that that the patterns vary in different areas of the channel walls.

Bauteil nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände der Unebenheitselemente in verschiedenen Bereichen der Kanalwände variieren.Component according to one of claims 2 or 3, characterized in that that the distances of the unevenness elements vary in different areas of the channel walls.

Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die relative Höhe der Unebenheitselemente in verschiedenen Bereichen der Kanalwände variiert.Component according to one of the preceding claims, characterized marked which is the relative height of the bump elements varied in different areas of the canal walls.

Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Kühlkanalwänden sowohl Unebenheitslemente (6) als auch makroskopische Turbulenzgeneratoren (7) insbesondere Rippen und VG's, angeordnet sind.Component according to one of the preceding claims, characterized in that both unevenness elements ( 6 ) as well as macroscopic turbulence generators ( 7 ) in particular ribs and VG's are arranged.

Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Kühlkanalwänden Einsenkungen (8) angeordnet sind.Component according to one of the preceding claims, characterized in that depressions ( 8th ) are arranged.

Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Schaufel (1) einer Gasturbine ist.Component according to one of the preceding claims, characterized in that the component is a blade ( 1 ) is a gas turbine.

Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Wandelement (11), umfassend eine Heissgasseite (13) und eine Kühlungsseite, ist, wobei in der Kühlungsseite der wenigstens eine Kühlkanal (14) angeordnet ist.Component according to one of the preceding claims, characterized in that the component is a wall element ( 11 ), including a hot gas side ( 13 ) and a cooling side, the at least one cooling duct ( 14 ) is arranged.

Brennraum, insbesondere Brennkammer einer Gasturbine, umfassend ein Wandelement gemäss Anspruch 9.Combustion chamber, in particular combustion chamber of a gas turbine, comprising a wall element according to Claim 9.

Verfahren zur Bestimmung der Anordnung und Geometrie von Unebenheitselementen in einem Kühlkanal eines Bauteils gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: Vorgabe einer ersten Kühlkanalgeometrie; Berechnung der Druckverluste und des Wärmeübergangs in dem Kühlkanal mittels eines numerischen Grenzschichtvertahrens; Veränderung der Kühlkanalgeometrie; neuerliche Berechnung der Druckverluste und des Wärmeübergangs in dem Kühlkanal mittels eines numerischen Grenzschichtverfahrens; Vergleich der Ergebnisse der Berechnungen für verschiedene Kühlkanalgeometrien; Wiederholung der Schritte: Verändern der Kühlkanalgeometrie und neuerliche Berechnung, bis ein Zielwert oder ein Optimum erreicht ist.Procedure for determining the arrangement and geometry of unevenness elements in a cooling duct of a component according to one the preceding claims, comprising the steps: Specification of a first cooling channel geometry; Calculation of pressure losses and heat transfer in the cooling channel by means of a numerical boundary layer method; change the cooling channel geometry; recent Calculation of pressure losses and heat transfer in the cooling channel by means of a numerical boundary layer method; comparison the results of the calculations for different cooling channel geometries; Repetition of steps: change the cooling channel geometry and recalculation until a target value or an optimum is reached is.