Experimental and numerical investigations of convective cooling configurations for gas turbine combustors

Abstract

Within the present study, experiments and numerical computations are conducted to analyze the cooling performance of different convective cooling techniques for backside cooled combustor walls. For all investigated configurations, the pressure loss and the heat transfer enhancement is observed. As possible candidates for a convective cooling scheme, rib turbulators, channels with dimples and channels with hemispheres are considered. The data bases for such convective cooling techniques, which have already been reported in literature, arise from the experience in internal blade cooling. Compared to the typical conditions found for backside cooled combustor walls, the Reynolds number and the mass flow rates are lower in the case of internal blade cooling. Additionally, the ribs or other convective cooling techniques are applied to two opposite channel walls within the blade. For backside cooled combustor walls, the heat transfer on only one channel wall needs to be enhanced. For the experimental setup, several measurement techniques are applied. The heat transfer coefficient between two successive ribs is obtained with a steady and a transient measurement technique. A comparison of the two measurement techniques is also provided. Averaged heat transfer coefficients on the rib itself are measured by using the lumped heat capacitance method. For the numerical setup, the commercial solver FLUENTTM is applied together with two different turbulence models. In the case of rib turbulators, a standard k-e turbulence model is used. It could be demonstrated that for dimpled surfaces or surfaces with hemispheres, a Reynolds Stress Model performs better. In general, the experimental results are underpredicted, whereas the trends are predicted correctly. It is concluded, that the present numerical approach is applicable to preliminary design studies. One result of this study is to extend the Reynolds number range of typical rib turbulators to Reynolds number levels found in backside cooled combustor walls. In contrast to internal blade cooling, the design requirements of a backside cooled combustor wall are a moderate pressure loss at higher Reynolds numbers and at the same time a good heat transfer enhancement. It could be demonstrated, that the geometry of rib turbulators need to be adjusted to satisfy the mentioned design requirements. The investigations on V shaped, W shaped and WW shaped ribs revealed the following fact. The existence of a second ribbed wall has an influence on the heat transfer of the opposite wall. It is therefore suggested not to directly use heat transfer correlations, which are derived from experimental data of two sided ribbed channels, for the design of one sided ribbed channels. Additionally, it could be demonstrated, that for higher Reynolds numbers the rib height has to be reduced to obtain lower levels of pressure losses. As the rib geometry is changed from V shaped to W shaped rib, the pressure losses are increased for an equal rib spacing and rib height. WW shaped ribs resulted in even higher pressure losses. For V shaped and W shaped ribs, a reduction of the rib spacing leads to a lower pressure loss. For WW shaped ribs, an opposite trend is observed. In the case of W shaped ribs, the heat transfer enhancement on the rib itself is obtained. It could be demonstrated that a reduction of the rib spacing has no impact on the heat transfer enhancement on the rib. A combination of the heat transfer data between two successive ribs and the data on the rib reveals, that heat transfer levels of around three times higher than the heat transfer of a smooth channel wall are realized for the investigated Reynolds number range. The possibility to replace the commonly used rib turbulators with dimples or hemispheres is also addressed in this study. For channels with hemispheres or dimples on one channel wall, a lower pressure loss and at the same time only moderate heat transfer enhancement levels are observed. For the design of a convective cooling technique for convectively cooled combustor walls, W shaped ribs should be preferred. This configuration shows the best thermal performance for the typical Reynolds numbers found in backside cooled combustor walls. In cases, where the convective cooling has to be achieved with very low pressure losses, dimpled channels represent an interesting alternative to ribbed configurations.

Die vorliegende Arbeit umfasst experimentelle und numerische Untersuchungen von konvektiven Kühlkonfigurationen, die in konvektiv gekühlten Brennkammerwänden von stationären Gasturbinen eingesetzt werden. Dabei wurden für alle Konfigurationen Druckverluste und Wärmeübergangserhöhungen gegenüber glatten Kanälen ermittelt. Bisher werden solche Kühlkonfigurationen vornehmlich zur internen Kühlung von Turbinenschaufeln benutzt. Die dort vorherrschenden Massenströme sind allerdings geringer wie die in einer konvektiv gekühlten Brennkammerwand. Darüber hinaus werden in der internen Schaufelkühlung meist zweiseitig berippte Kanäle eingesetzt. Bei konvektiv gekühlten Brennkammer¬wänden besteht jedoch nur der Bedarf eine Kanalwand intensiv zu kühlen. Es stellt sich also die Frage, wie gut man die existierenden Korrelationen von zweiseitig berippten Kanälen zur Auslegung von einseitig berippten Kanälen verwenden kann. Es ist weiterhin festzustellen, dass der in der Literatur untersuchte und bekannte Parameterbereich bisher nicht ausreichend bzw. nur unzureichend ist für eine Auslegung einer konvektiv gekühlten Brennkammerwand. Ziel dieser Arbeit ist es, den Wertebereich für bereits bekannte Kühlkonfigurationen hin zu höheren Reynolds Zahlen zu erweitern und in einem weiteren Schritt, die gängigen Konfigurationen durch die Änderung der Geometrie an den erweiterten Reynolds- Zahlen Bereich anzupassen. Als eine gängige Methode werden zunächst Rippen genutzt, um den Wärmeübergang in internen Kanälen anzuheben. Innerhalb dieser Studie wurde auch untersucht, ob die berippten Kanäle, welche nun für den neuen Reynolds-Zahlen Bereich optimiert sind, durch Kanäle mit so genannten Dimples oder durch Kanäle mit gleichmäßig verteilte Hemisphären ersetzt werden können. Für die Ermittlung der Wärmeübergänge wurden verschiedene Messmethoden angewendet. Zunächst wurde der Wärmeübergang mit einer stationären Messmethode untersucht, später wurden die Experimente mit einer transienten Methode durchgeführt. Es konnte an einer Kühlkonfiguration gezeigt werden, dass die Ergebnisse unabhängig von der gewählten Messmethode sind. Für die numerische Simulation wurde das kommerzielle Programm FLUENTTM verwendet. Es kamen zwei Turbulenzmodelle zum Einsatz. Die berippten Kanäle wurden mit einem standard k-e Turbulenzmodell simuliert. Für die Kanäle mit Dimples und die Kanäle mit gleichmäßig verteilten Hemisphären wurde eine Re-Spannungs Modell angewendet. Für alle Simulationen waren die numerischen Ergebnisse für den Wärmeübergang unterhalb der experimentell gewonnenen Daten zu finden. Die tendenziellen Trends bei einer Änderung der Geometrie wurden richtig vorhergesagt. Es konnte gezeigt werden, dass die gewählte Vorgehensweise der numerischen Simulation für eine erste Designstudie ausreichend ist. Werden genauere Daten gebraucht, erscheint es im Moment noch nicht möglich, diese mit einem vertretbaren Zeitaufwand numerisch zu ermitteln. Die Untersuchungen der V förmigen, W förmigen und WW förmigen berippten Kanäle ergaben folgende Schlüsse. Das Vorhanden¬sein einer zweiten berippten Wand hat einen Einfluss auf den Wärmeübergang der gegenüberliegenden Wand. Daher sollten Korrelationen, welche auf der Datenbasis von zweiseitig berippte Kanäle entstanden sind, nicht direkt auf einseitig berippte Kanäle angewendet werden. Es wurde gezeigt, dass bei höheren Reynolds-Zahlen die Rippenhöhe verringert werden sollte, damit die entstehenden Druckverluste reduziert werden können. Bei gleich bleibender Rippenhöhe und bei gleichen Rippenabständen erhöht sich der Druckverlust, wenn von V förmigen Rippen zu W förmigen Rippen übergegangen wird. WW förmige Rippen erzielen im Vergleich zu W förmigen Rippen noch höhere Druckverluste. Wird der Rippenabstand halbiert, so sinken im Fall von V förmigen und W förmigen Rippen die Druckverluste. Für WW förmige Rippen ereignet sich das Gegenteil. Im Fall der W förmigen Rippen wurde auch der Wärmeübergang auf der Rippe selbst ermittelt. Es zeigte sich, dass eine Halbierung des Rippenabstands keinen Einfluss auf die Höhe des Wärmeübergangs auf der Rippe hat. Werden die Wärmeübergangsdaten auf der Rippe und zwischen den Rippen kombiniert, so lassen sich für W förmige Rippen dreimal so hohe Wärmeübergange realisieren im Vergleich zum Wärmeübergang eines glatten Kanals. Für die Auslegung einer rein konvektiv gekühlten Brennkammerwand kann somit empfohlen werden, W förmige Rippen zu verwenden. Diese Geometrie erreicht bei den typischen Reynolds-Zahlen die höchste Kühleffektivität in einem Kanal mit einem Seitenverhältnis von 2:1. Sollte ein sehr geringer Druckverlust eine entscheidende Rolle bei der Auslegung spielen, so stellen die Kühlkanale mit Dimples eine interessante Alternative zu den berippten Kanälen dar.