Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-3805
Authors: Pape, Detlef
Title: Experimentelle Untersuchung der Strömung und der Wärmeübertragung in 180°-Umlenkungen
Other Titles: Experimental investigation of the flow and the heat transfer in 180° bends
Issue Date: 2009
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
metadata.ubs.publikation.source: Druckversion beim Verlag Dr. Hut, München veröffentlicht
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-44743
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/3822
http://dx.doi.org/10.18419/opus-3805
ISBN: 978-3-86853-110-7
Abstract: 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.
The cooling of gas turbine airfoils is an important factor in the development of modern gas turbines. Different cooling systems are used for reducing the thermal load on the turbine blades. Multi-pass cooling channels are a main part of these cooling systems and are continuously improved for a better cooling with a lower cooling fluid consumption. For a better use of the cooling fluid the length of the multi-pass cooling channel is extended by adding additional channels to the system. This results in a higher number of channels in the same area and the width of the channels has thus to be reduced. For these channels only few experiences exist and detailed examinations have to be done. In the present study two-pass cooling channels were therefore investigated with a high aspect ratio (height H to width W) of H/W=4 and compared to cooling channels with a wider cross section of H/W=0,5. For these investigations the heat transfer and pressure loss in the whole system was examined consisting of the inlet and outlet channel and the bend region connecting these two channels. Also the influence of different ribs was investigated on the flow and the heat transfer in the system. Another aspect of the work was the analysis and optimisation of the measurement techniques to gain a high accuracy for investigations of cooling systems. For this analysis different two-dimensional methods for the heat transfer measurement were evaluated, the steady state and the transient liquid crystal method. Their applicability was investigated and compared with results from literature. Both methods deliver high quality heat transfer results, where their individual boundary conditions have to be considered for the interpretation of their results. For the present work the transient liquid crystal method showed the better suitability and was used in the former investigations. Limitations for the accuracy of the transient liquid crystal method are the measurement of the characteristic fluid temperature, the bulk temperature. These limitations were overcome by the use of a combination of an analytical model for the fluid temperature distribution, numerical calculations and temperature measurements at multiple positions in the channel. By this technique the bulk temperature can be calculated at any position in the straight sections and the accuracy of the transient method is raised. For investigating the basic configurations of the cooling system setups were built up of the small and wide channel geometries and analysed for their performance in respect to the heat transfer and pressure loss. The investigations were done without and with ribs in different rib configurations in the straight sections of the channel system. The ribs were thereby varied in their heights (e/H=0,05 and 0,1) as well as in their inclination angle to the flow (45° and 60°). Special attention was also drawn on the interactions of the ribs in the straight sections with the flow and the heat transfer in the bend region. Out of these investigations some specialities of the high aspect channels showed up compared to the conventional wide channel systems. Especially the rib height could not be continuously raised to gain higher heat transfer and a lower rib height was found as an optimum. Finally the bend region was especially optimised based on the investigations of the basic cooling system configurations. For the configurations, which showed the best performance in the previous investigations, the width of the bend was varied (Wel=0.5...3.7) and also the number of ribs in the outlet of the bend was reduced. By these variations the pressure loss of the bend could be substantially decreased while the heat transfer remains mainly stable. In addition calculation tools could be developed out of these investigations, with which the heat transfer and the pressure loss can be predicted for different channel configurations. By the help of these calculations tools multi-pass cooling systems and especially their bend regions can thus be adapted and optimised for different requirements in a gas turbine cooling system.
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