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Experimentelle Untersuchung der Strömung und der Wärmeübertragung in 180°-Umlenkungen
(2009) Pape, Detlef; Weigand, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
In der vorliegenden Arbeit werden die Strömung und der Wärmeübergang in Mehrkanal-Kühlsystemen mit 180°-Umlenkungen untersucht. Mehrkanal-Kühlsysteme sind eine wichtige Komponente für die Kühlung moderner Gasturbinenschaufeln und werden kontinuierlich in Richtung einer besseren Kühlwirkung und eines geringen Kühlluftverbrauchs optimiert. Für eine weitere Optimierung des Systems ist ein genaues Verständnis der verschiedenen Kühlmechanismen entscheidend. In dieser Arbeit wird daher der Einfluss der verschiedenen Komponenten des Kühlsystems auf die Strömung und den Wärmeübergang detailliert untersucht. Insbesondere werden die Geometrie der Umlenkung und der Einfluss verschiedener Rippenkonfigurationen zur Steigerung des Wärmeübergangs betrachtet. Neben der Optimierung des Kühlsystems liegt dabei ein weiterer Schwerpunkt auf der Analyse und Weiterentwicklung entsprechender Messverfahren für die Untersuchungen. Zur Vorbereitung der Messungen werden verschiedene zweidimensionale Verfahren zur Messung des Wärmeübergangs evaluiert, die stationäre und die transiente Flüssigkristallmethode. Beide Methoden sind gut für die Messung des Wärmeübergangs geeignet, wobei ihre jeweiligen thermischen Randbedingungen für das Ergebnis zu berücksichtigen sind. Für die nachfolgenden Untersuchungen hat sich die transiente Methode aufgrund ihrer besonders für komplexe Geometrien einfacheren Anwendbarkeit als geeigneter erwiesen. Bei dieser Methode stellt die Bestimmung der charakteristischen Fluidtemperatur, der massenstromgemittelten Temperatur, eine Einschränkung der erreichbaren Genauigkeit dar. Die massenstromgemittelte Temperatur ist experimentell nur schwer zugänglich. Durch eine geeignete Kombination aus einem analytischen Modell zur Beschreibung des Temperaturverlaufs, numerischen Untersuchungen und Temperaturmessungen an verschiedenen Positionen im Kanal ist eine Bestimmung der massenstromgemittelten Temperatur für jede Position innerhalb der geraden Abschnitte möglich geworden. Dies hat die erzielbare Genauigkeit der transienten Methode zur Wärmeübergangsmessung deutlich gesteigert. Für die Analyse und Optimierung der Mehrkanal-Kühlsysteme wird der Einfluss der verschiedenen Geometrieparameter auf die einzelnen Komponenten als auch auf das Gesamtsystem der Kühlkanalanordnung untersucht. Für eine bessere Ausnutzung der Kühlluft wird in modernen Kühlsystemen die Länge des Kanalsystems durch das Hinzufügen weiterer Kanalabschnitte kontinuierlich verlängert, was zu immer schmaleren Kanälen führt. Daher werden in dieser Arbeit besonders schmale Kanäle mit einem Höhen-zu-Breiten-Verhältnis von H/W=4 untersucht und ihre Besonderheiten gegenüber den bisherigen Systemen mit breiten Querschnitten gezeigt. Für den Vergleich mit konventionellen Systemen dient als Basis eine Geometrie mit H/W=0,5. Einen weiteren großen Einfluss auf den Wärmeübergang hat der Einbau von Rippen in dem Kanalsystem. Insbesondere in den geraden Kanalabschnitten werden diese zur Steigerung des dort allgemein niedrigen Wärmeübergangs eingesetzt. Ihr Einfluss auf den geraden Kanalabschnitt als auch auf das Gesamtsystem wird hier daher für verschiedene Rippenhöhen (e/H=0,05 und 0,1) sowie für unterschiedliche Anstellwinkel zur Strömung (45° und 60°) untersucht. Ein besonderes Augenmerk gilt der Wechselwirkung der Rippen im geraden Kanalabschnitt mit der Strömung und dem Wärmeübergang in der Umlenkung. Hierbei haben sich einige Besonderheiten gegenüber den bisherigen Systemen mit breiten Querschnitten gezeigt. Vor allem die Rippenhöhe kann in diesen Kanälen nicht beliebig zur Erhöhung des Wärmeübergangs gesteigert werden. Aufbauend auf den Untersuchungen der verschiedenen grundlegenden Konfigurationen wird in einem weiteren Schritt gezielt die Umlenkung optimiert. Für die verschiedenen sich als optimal herausgestellten Basiskonfigurationen wird hierzu einerseits der Abstand der Umlenkung (Wel=0,5 - 3,7) variiert als auch die Zahl der Rippen im Auslaufbereich reduziert. Hierdurch lässt sich der Druckverlust in der Umlenkung bei vergleichbarem Wärmeübergang deutlich verringern. Des Weiteren werden aus diesen Untersuchungen entsprechende Berechnungsverfahren für den Druckverlust und den Wärmeübergang der einzelnen Komponenten eines Mehrkanal-Kühlsystems entwickelt. Mit Hilfe dieser Berechnungsverfahren kann damit das Kühlsystem gezielt an unterschiedliche Anforderungen in einer Gasturbinenschaufel angepasst und optimiert werden.