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Authors: Schubert, Sonja
Title: Untersuchung von Strömungsfeld und Wärmeübergang in einem berippten Multipass-System zur internen Kühlung von Gasturbinenschaufeln
Other Titles: Investigation of flow field and heat transfer characteristics of a ribbed multipass-system for internal cooling of gas turbine blades
Issue Date: 2005
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-23750
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/3724
http://dx.doi.org/10.18419/opus-3707
Abstract: Eine Möglichkeit, den Wirkungsgrad einer Gasturbine zu steigern, besteht in der Erhöhung der Turbineneintrittstemperatur. Als Folge davon werden die Turbinenschaufeln weit über die maximale Werkstofftemperatur hinaus belastet. Daher ist neben dem Einsatz modernster Werkstoffe (z.B. Keramik) eine intensive interne Kühlung unerlässlich. Zur Auslegung von wärmetechnisch optimierten Schaufeln müssen Druckverlust, Strömungsphänomene und lokaler Wärmeübergang genauestens bekannt sein. Aufgrund der an die Schaufelform angepassten Kanalgeometrie und der entstehenden rippeninduzierten Sekundärwirbel ergibt sich eine äußerst komplexe Problemstellung, die zur Zeit noch nicht numerisch simuliert werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein anwendungstypisches Multipass-Kühlsystem, bestehend aus einem trapezförmigen, berippten Vorderkantenkanal, einer 180°-Umlenkung und einem nahezu rechteckigen, ebenfalls berippten hinteren Kanal, untersucht. Messungen zu Druckverlust Strömungsfeld und Wärmeübergangsverteilung wurden für Reynoldszahlen von 10.000 bis 200.000 durchgeführt. Die Vermessung des Strömungsfeldes erfolgte zwei- und dreidimensional mittels Particle Image Velocimetry (PIV), die Wärmeübergangsverteilung wurde mit Hilfe der transienten Flüssigkristallmethode (TLC) untersucht. Für die Auswertung der experimentelle Wärmeübergangsdaten konnte zudem eine Methode zur Implementierung der experimentell schwierig zu bestimmenden massenstromgemittelten Temperatur T_b entwickelt werden. Abschließend erfolgte der Vergleich der experimentellen Daten mit den Ergebnissen aus numerischen Berechnungen. Letztere fanden unter Verwendung verschiedener Turbulenzmodelle sowohl für den periodischen Fall an einem Segment des Einlaufs als auch für den kompletten Kanal statt. Die in dieser Arbeit gewonnenen umfangreichen Daten lieferten einen wesentlichen Beitrag zu einem vertieften Verständnis der Einflüsse von Kanalgeometrie und Berippung auf Druck, Strömung und Wärmeübergang. Sie eignen sich zudem hervorragend für die Validierung von bestehenden und zukünftigen CFD Programmen und somit zur weiteren Optimierung von Gasturbinenschaufeln.
One possibility of improving the efficiency of gas turbines is given by the increase in turbine inlet temperature. As a result, the turbine blades are exposed to temperatures far beyond their limit material temperatures. Therefore, apart from application of state-to-the-art materials (e.g. ceramics), intensive internal cooling is essential. For the design of aerothermodynamically optimized blades, pressure drop, flow phenomena and local heat transfer have to be known in detail. In particular the special geometry of the channel and rib-induced secondary vorticies result in a very complex problem definition, which can not be simulated numerically yet. In the context of this work an application-typical multipass cooling system, consisting of a trapezoidal ribbed front edge channel, a 180°-bend and an almost rectangular ribbed rear channel, has been examined. Measurements on pressure loss, flow field and heat transfer distribution have been conducted for Reynolds numbers from 10,000 to 200,000. The investigations of the internal channel flow have been done two- and three-dimensionally by the use of Particle Image Velocimetry (PIV), while heat transfer measurements have been performed with help of the transient liquid crystal technique (TLC). The bulk temperature T_b can hardly be determined in experiments. Therefore, a method for implementing T_b has been developed for further evaluation of experimental heat transfer data. Finally, experimental and numerical results have been compared. Hereby, numerical calculations have been performed with different turbulence models for both, periodic calculations of an inlet segment and the complete channel. The objective of this work was the generation of detailed data, which contribute significantly to a deeper understanding of the influence of geometry and ribs on pressure loss, flow field and heat transfer. With these data it is possible to validate existing and future CFD programs, enabling further optimization of turbine blades.
Appears in Collections:06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie

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