Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-3779
Authors: Kissel, Harald
Title: Filmkühlung bei komplexen Innenströmungen
Other Titles: Film cooling at complex inner flows
Issue Date: 2008
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-36196
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/3796
http://dx.doi.org/10.18419/opus-3779
metadata.ubs.bemerkung.extern: Druckausg. beim Verl. Dr. Hut, München erschienen. ISBN 978-3-89963-764-9
Abstract: Die Filmkühlung ist eine sehr wirksame und zuverlässige Methode zur Kühlung von hoch beanspruchten Turbinenschaufeln. Dabei wird Kühlluft aus dem Verdichter abgezapft und in die mit internen Kühlkanälen versehenen Schaufeln geleitet. Nach einer konvektiven Kühlung des Materials von der Innenseite wird die Luft durch diskrete Bohrungen auf die Oberfläche der Schaufel geleitet. Dort bildet sie einen Film, der das Material kühlt und gleichzeitig vor der heißen Strömung schützt. Während der Auslegung einer Filmkühlungskonfiguration wird der Versuch unternommen möglichst alle Einflussfaktoren zu berücksichtigen. Ein wichtiger Parameter ist die Kühlluftzufuhr, denn die Strömungsstruktur ist beim Erreichen der Bohrung durch die vorangehende interne Kühlung komplex und dreidimensional. Die vorliegende Arbeit hat die Untersuchung der Einflüsse der internen Strömung auf den Filmkühlungsvorgang zur Aufgabe. Dazu wurde ein Versuchskanal aufgebaut der unter Anwendung verschiedener Messtechniken, die Vermessung der Strömung, sowie die Bestimmung der Güte der Filmkühlung ermöglicht. Diese wird üblicherweise mit Hilfe der adiabaten Filmkühleffektivität eta_aw und des dimensionslosen Wärmeübergangskoeffizienten alpha/alpha_0 charakterisiert. Der Versuchskanal ist variabel gestaltet, so dass Kanalgeometrien, Bohrungsgeometrien und Rippenkonfigurationen verändert werden können. Im Rahmen der Forschungsarbeit kam vor allem die Flüssigkristallmesstechnik und die Hitzdrahtanemometrie zum Einsatz. Zur Auswertung der Experimente wurden verschiedene Mess- und Auswertemethoden verglichen und schließlich eine neuartige Methode etabliert. Durch Anwendung der transienten Flüssigkristallmesstechnik kann aus zwei nacheinander durchgeführten Versuchen unter Variation der Kühllufttemperatur sowohl die adiabate Filmkühleffektivität, als auch der Wärmeübergangskoeffizient deduziert werden. Parallel zur experimentellen Arbeit wurden die Vorgänge im Versuchskanal mit Hilfe numerischer Simulation untersucht. Die numerischen Untersuchungen erleichtern vor allem die Darstellung der komplexen Strömungsvorgänge an messtechnisch schwer zugänglichen Stellen im Versuchskanal. Die durchgeführten Experimente lassen sich in Versuche bei hohem und niedrigem Druck verhältnis zwischen Kühl- und Heißluftkanal einteilen. Generell gilt, dass eine Variation der Kühlluftreynoldszahl einen größeren Effekt auf das Filmkühlungsverhalten hat, als der Einbau von Rippen. Die Variation der Rippen zeigt in allen Fällen kein einheitliches Verhalten, so dass eine Schlussfolgerung hinsichtlich eines optimalen Rippenanstellwinkels nicht möglich ist. Der Einfluss des Kühlkanals ist jedoch deutlich an den gewonnenen Daten erkennbar. Diese dienen als Ausgangsbasis für weitere Untersuchungen der Strömungsstruktur und der verschiedenen Einflussfaktoren. Es zeigt sich ein sehr komplexes Verhalten der Filmkühlungsströmung gegenüber den durchgeführten Variationen der Anströmbedingungen der Bohrungen. Um dieses Verhalten besser zu verstehen, sollten ergänzende Experimente durchgeführt werden. Insbesondere der Einfluss des Abstandes Rippe - Bohrung hat großen Einfluss auf die Filmkühlungsgüte und sollte daher weiter systematisch untersucht werden. Ebenfalls sind PIV Messungen unmittelbar vor der Bohrung im Kühlluftkanal denkbar um die durch die Rippen induzierten Sekundärströmungen aufzulösen. Diese Resultate können bereits vorliegende Ergebnisse aus der numerischen Simulation bestätigen. Anschließend ist eine Durchführung der Experimente mit konturierten und lateral angestellten Bohrungen vorstellbar. Da diese heutzutage häufig in der industriellen Anwendung eingesetzt werden, ist es wichtig den Einfluss der Innenströmung auf diese Filmkühlkonfigurationen zu bestimmen. Außerdem eignet sich dieser Versuchskanal hervorragend zur Untersuchung der Auswirkungen von Fertigungsabweichungen auf die Filmkühlung. So kann zum Beispiel der Effekt einer teilweise blockierten Bohrungen betrachtet werden. Bevor mit Hilfe numerischer Strömungslöser weitere Parameterstudien durchgeführt werden, sollten weitere Anstrengungen unternommen werden um die Abweichungen zwischen Experiment und Numerik zu minimieren. Die Zahl der Gitterzellen kann reduziert werden indem im Heißgaskanal ebenfalls ein periodisches Anlaufstück berechnet wird. Außerdem sollten unterschiedliche Turbulenzmodelle eingesetzt und miteinander verglichen werden.
Film Cooling is known to be an efficient and reliable method for cooling highly stressed gas turbine blades. The cooling air is extracted from the compressor and forced through internal cooling channels of the blade, which results in convective cooling of the material. The air then leaves the interior of the blade through a regular pattern of so-called film cooling holes. Ideally, the cooling flow leads to the development of a cooling film on the blade surface that protects the material from the hot outer flow and decreases the wall temperature of the blade. In any blade design process, it is, therefore, highly desirable to understand the effect of the influencing parameters on this process. An important factor here is the cooling channel crossflow, which contains highly complex three-dimensional flow structures. The present work investigates the impact of the cooling channel crossflow on film cooling performance. A test rig is built to study the associated flow structure and the film cooling efficiency. The latter is, usually, characterised by the dimensionless heat transfer coefficient and the adiabatic film cooling effectiveness. The test rig allows for the variation of several parameters such as channel and cooling hole geometry, rib configuration and all important flow parameters. The measurements were performed using the thermochromic liquid crystal technique and hot wire anemometry. In the course of the tests, different measurement techniques and evaluation methods were applied and compared to each other. Finally, a new testing and evaluation procedure was developed and tested. The adiabatic film cooling effectiveness and the heat transfer coefficient are deduced from two separate transient experiments using a slight variation of the cooling temperature. The experimental work was supplemented by numerical simulations, which were used as a means to analyse the flow structure when measurement techniques where not applicable. The present experiments can be subdivided into two groups. One at a low pressure ratio between coolant and hot gas channel and one at a higher pressure ratio. We found that that the influence of the coolant crossflow Reynolds number has a stronger impact on the film cooling behaviour than the use of turbulators (i.e. ribs) in the cooling channel. Furthermore, variations of the rib angle of attacks did not generate a consistent effect for the present cases. As a result, it is difficult to draw any conclusions with regard to the influence of this particular parameter. On the other hand, a general influence of the cooling channel was clearly visible. The present data can, therefore, serve as a basis for further investigation of the flow phenomena and the influence of different parameters.
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