Browsing by Author "Lauffer, Diane"

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Experimentelle Untersuchung und Optimierung der Kühlung von Brennkammerbauteilen stationärer Gasturbinen
(2008) Lauffer, Diane; Weigand, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Bei der Weiterentwicklung stationärer Gasturbinen werden aufgrund steigender Turbineneintrittstemperaturen immer höhere Anforderungen an die eingesetzten Kühlmechanismen gestellt. Prallkühlungs- und konvektive Kühlmethoden bieten im Bereich der Brennkammerkühlung eine Alternative zur traditionellen Filmkühlung, da durch sie einerseits die Schadstoffkonzentration im Abgas reduziert wird und andererseits die gesamte verdichtete Luft zur Verbrennung genutzt werden kann. Da mit bestehenden Korrelationen oder Untersuchungen für einfache Geometrien die Strömung und damit der Wärmeübergang in komplexen Geometrien nur eingeschränkt beschrieben werden können, kann auf Untersuchungen an realitätsnahen Modellen nicht verzichtet werden. In der vorliegenden Arbeit werden die Möglichkeiten der Wärmeübergangsintensivierung in unterschiedlichen Brennkammerbauteilen experimentell untersucht. Hierzu werden an drei verschiedenen Versuchsständen Wärmeübergangsmessungen durchgeführt und durch Strömungsmessungen ergänzt. Die experimentelle Bestimmung des Wärmeübergangs erfolgt mit Methoden, die auf der Temperaturbestimmung mit thermochromatischen Flüssigkristallen basieren. Bei der stationären Methode wird der Wärmeübergangskoeffizient aus der Randbedingung eines konstanten Wärmestroms, der mit Heizfolien auf der Wand aufgeprägt wird, bestimmt. Bei der transienten Methode wird er über den zeitlichen Verlauf der Wandtemperatur infolge eines Temperatursprungs in der Strömung berechnet. Das Sekundärströmungsfeld wird mittels der 2d-PIV-Methode vermessen, die auf der Beobachtung von in der Strömung mitbewegten Teilchen basiert. Im ersten Teil der Arbeit wird die Wärmeübergangserhöhung in einem rechteckigen, flachen Kanal mit einem Breiten-Höhen-Verhältnis von sechs untersucht. Dimples auf der breiten Kanalseite sorgen für eine großflächige Steigerung des Wärmeübergangs, und durch das Anbringen lokaler Rippen wird der Wärmeübergang im Seitenbereich zusätzlich optimiert. Hierbei kommen sowohl auf der schmalen Seitenwand als auch im Seitenbereich der breiten Kanalwand unterschiedliche Rippenkonfigurationen zum Einsatz. Es wird gezeigt, dass die Rippen lokal ein hohes Potenzial zur Wärmeübergangssteigerung besitzen, während der zusätzliche Druckverlust durch ihre geringe Größe sehr niedrig ausfällt. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Wärmeübergangssteigerung in einem gekrümmten Brennkammerkühlkanal mit veränderlichem Querschnitt. Vier verschiedene Prallkühlmuster werden mit einem glatten und einem mit Dimples versehenen Kanal kombiniert. Es zeigt sich, dass die Wahl des Prallmusters einen deutlichen Einfluss auf die lokale Nußeltzahlverteilung im Prallbereich hat, jedoch spielt sie für den Wärmeübergang stromab der Prallkühlzone sowie für die mittlere Nußeltzahl fast keine Rolle. Durch die Dimples im hinteren Kanalbereich wird eine deutliche lokale Wärmeübergangssteigerung erreicht. Der zusätzliche Druckverlust der Dimples ist dagegen verhältnismäßig niedrig. Im dritten Teil der Arbeit werden die Möglichkeiten der Wärmeübergangsintensivierung auf der Rückseite eines Brennkammer-Hitzeschutzschildes untersucht. Es werden hierzu zwei unterschiedliche, unregelmäßige Prallstrahlanordnungen in Kombination mit verschiedenen realistischen Strömungsauslässen eingesetzt. Es wird gezeigt, dass durch die Wahl der Prallstrahlanordnung und der Art der Auslassöffnungen die Strömung und damit der Wärmeübergang auf allen Flächen deutlich beeinflusst werden.