Experimentelle Untersuchung und Optimierung der Kühlung von Brennkammerbauteilen stationärer Gasturbinen

Abstract

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.

Modern gas turbines are under continuous development. Increasing turbine inlet temperatures require the development of efficient cooling technologies for highly stressed gas turbine parts. For the cooling of the combustion chamber, impingement cooling and convective cooling concepts are used as an alternative to the traditional film cooling, because of reduced emissions. In addition, all compressed air can be used for combustion. Because the flow and the heat transfer in complex geometries can not be predicted sufficiently by existing correlations or examinations for simple geometries, investigations in realistic test models are essential. In the present work the possibilities of heat transfer improvement in different combustion chamber parts are investigated experimentally. Therefore heat transfer experiments and flow field measurements are performed in three different experimental setups. For the investigation of the heat transfer methods are used which are based on the temperature measurement with thermochromic liquid crystals. With the stationary liquid crystal method the heat transfer coefficients are determined from the boundary condition of a constant wall heat flux, which is realized with heating foils. With the transient liquid crystal method the heat transfer coefficients are calculated from the transient development of the wall temperature due to a temperature step in the main flow. The velocity distribution is measured with 2d Particle Image Velocimetry, which is based on the observation of particles in the flow. In the first part of the present work the heat transfer enhancement in a rectangular channel with an aspect ratio of six is studied. Dimples which are placed on the bottom wall of the channel are able to enhance the heat transfer globally. Additionally, ribs are placed in the side wall region to optimize the heat transfer locally. Different rib configurations on the side wall as well as on the side part of the bottom wall are investigated. It is shown that the ribs are able to increase the Nußelt number locally, whereas the additional pressure loss is very low due to the small size of the ribs. The second part of this work deals with the heat transfer enhancement in a curved combustion chamber liner with varying cross section. Four different impingement patterns are combined with a smooth and a dimpled channel. It is shown that the choice of the impingement pattern has a clear influence on the local Nußelt number distribution in the impingement zone. However, the heat transfer downstream of the impingement region and the averaged Nußelt number are only affected little. Due to the dimples the heat transfer can be significantly improved, whereas the additional pressure loss is very low. In the third part of the present work the possibilities of heat transfer improvement on the back side of a combustor liner heat shield are investigated. Two different irregular impingement patterns are combined with realistic outlet conditions. It is shown that a variation of the impingement pattern and the outlet conditions has a substantial influence on the flow and on the heat transfer distribution on all heat shield surfaces.