Coupled flow field and heat transfer in an advanced internal cooling scheme

Abstract

State-of-the-art gas turbines are designed to operate at turbine inlet temperatures in excess of 1850 K. Such temperature levels are sustainable only by means of an aggressive and efficient cooling of the components exposed to the hot gas path. Not only the maximum metal temperature needs to be kept below the safety limits, but the thermal field must be reasonably uniform, in order to limit the thermal stresses. This requires from the designer the most accurate knowledge of the local heat transfer rate. The need for such detailed information is in conflict with some common practices in the cooling system design: numerical simulations are often compared against area-averaged experimental data; the link between coolant flow field and heat transfer rates is scarcely analyzed; moreover, the coupling between convection and conduction is hardly taken into account. The present thesis aims at the aero-thermal characterization of a trailing edge cooling channel geometry. Cooling the trailing edge, one of the life-limiting parts of the airfoil, represents an especially challenging task since the aerodynamic requirement of high slenderness is conflicting with the need of integrating internal passages. The focus of the study is on three main aspects of the internal cooling technology: (i) the details of the coolant flow field; (ii) the contribution of the obstacles’ surface to the heat transfer; and (iii) the effect of the conduction through the cooling channel walls. The investigated cooling channel geometry is characterized by a trapezoidal cross-section. It has one rib-roughened wall and slots along two opposite walls. The coolant passes through a smooth inlet channel upstream of the investigated cavity; it crosses the divider wall through a first row of inclined slots, producing crossing-jets; the latter impinge on the rib-roughened wall, and the jet-rib interaction results in a complex flow pattern, rebounding the coolant towards the opposite smooth wall; finally the air exits through a second row of slots along the trailing edge. Such a scheme represents a combination of internal forced convection cooling and impingement cooling. An engine-representative Reynolds number equal to 67500 is defined at the entrance of the inlet channel. A comprehensive experimental investigation is carried out on a magnified model of the channel, at a scale of 25 : 1 with respect to engine size (applied to both the cavity volume and the walls thickness). The main flow structures are identified and characterized by means of particle image velocimetry, allowing to deduce a model of the highly three-dimensional mean flow. Each jet is shown to impinge on the three ribs in front of the slot, and the jet-rib interaction produces two upward deflections in each inter-rib domain. Distributions of heat transfer coefficient are obtained by means of liquid crystals thermography on the rib-roughened surface as well as on the opposite smooth wall in a purely convective regime, with a uniform heat flux imposed at the solid-fluid interface. The thermal patterns on the channel walls show the footprints of the flow features detected by the velocity measurements. Globally, the top side of the rib shows the highest Nusselt number among the investigated surfaces. The presence of the ribs enhances the global heat transfer level (averaged on all surfaces) by 14%. The aero-thermal results suggest a definite margin for improvement of the heat transfer performance by varying one or more geometrical parameters. In this perspective, the ribs have been tapered and shifted with respect to the slots position. Both expedients have proven to be useful in reducing the extent and intensity of the aforementioned hot spots in the vicinity of the ribs: an enhancement of about 20% in area-averaged heat transfer rate is achieved with respect to the standard configuration. The thermal behavior of the ribbed wall has also been investigated in conjugate heat transfer regime, in order to study the effect of the wall conduction on the thermal levels. By matching the solid-to-fluid thermal conductivity ratio found in an engine, the correct thermal boundary conditions for the convective problem are attained, which guarantees full similarity between laboratory model and engine reality. Infra-red thermography coupled to a finite element analysis is used to retrieve the whole thermal pattern through the considered rib-roughened wall. Nusselt number levels in conjugate regime differ by up to 30% locally and 25% globally with respect to the purely convective results. Neglecting wall conduction when evaluating the heat transfer coefficient leads to underestimating the maximum surface temperature by 26 to 33 K at engine conditions. Decreasing the wall thermal conductivity increases the overall heat transfer coefficient on the ribbed surface. However lower conductivities amplify local temperature gradients and hot spots.

Heutige Gasturbinen sind darauf ausgelegt, bei Turbineneintrittstemperaturen über 1850K betrieben zu werden. Solch hohe Temperaturniveaus sind nur mittels gezielter und effizienter Kühlung der thermisch hochbeanspruchten Bauteile realisierbar. Hierbei ist es zum einen notwendig, die Maximaltemperatur des Metalls unterhalb der Schmelztemperatur zu halten. Zum anderen ist auf eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu achten, um thermisch bedingte Spannungen zu minimieren. Für die Auslegung von Gasturbinenschaufeln kommt daher einer möglichst genauen Bestimmung der lokalen Wärmeübergangszahl eine besondere Bedeutung zu. Das Ziel dieser Arbeit ist die aero-thermodynamische Charakterisierung des Kühlkanals in der Hinterkante einer Gasturbinenschaufel. Die Kühlung der Hinterkante stellt eine besondere Herausforderung dar, da an dieser Stelle der Einbau eines internen Kühlkanals durch die geometrischen Vorgaben stark begrenzt ist. Die Schwerpunkte dieser Arbeit liegen auf drei wichtigen Aspekten interner Kühltechnologie: (i) die genaue Beschreibung des Strömungsfeldes des Kühlmediums; (ii) der Beitrag der Rippenfläche zum Wärmeübergang; (iii) den Einfluss der Wärmeleitung durch die Wände des Kühlkanals. Der untersuchte Kühlkanal hat einen trapezförmigen Querschnitt. Auf einer Wand befinden sich Rippen während die zwei gegenüberliegenden Wände mit Schlitzen versehen sind. Das Kühlmedium gelangt stromauf durch einen glatten Einlaufkanal in die Testkammer. Dabei durchquert es eine Trennwand mit einer Reihe schräg angeordneter Schlitze, wodurch sogenannte „crossing-jets“ entstehen, die anschließend auf die berippte Wand prallen. Durch die Wechselwirkung zwischen Strahl und Rippen entstehen komplexe Strömungsmuster, welche das Kühlmittel zur glatten gegenüberliegenden Wand zurückprallen lassen. Schließlich strömt die Luft durch eine zweite Reihe von Schlitzen an der Hinterkante aus. Solch ein System repräsentiert eine Kombination aus berippter interner Kühlung und Prallkühlung. Am Einlauf des Kühlkanals wird eine Reynolds-Zahl von Re=67500 eingestellt, welche die Bedingungen in einer realen Gasturbine wiedergeben soll. Es wird eine umfassende experimentelle Untersuchung an einem vergrößerten Modell (Maßstab 25:1) durchgeführt. Die Hauptströmungsstrukturen werden mittels PIV visualisiert. Dadurch ist es möglich, auf ein dreidimensionales Modell der Hauptströmungsrichtung zu schließen. Es konnte gezeigt werden, dass jeder „jet“ auf den drei Rippen vor dem Schlitz auftrifft und dass durch diese Interaktion in jedem Rippenzwischenraum zwei Ablenkungen stromauf erzeugt werden. Die Verteilungen des Wärmeübergangskoeffizienten an der berippten sowie an der gegenüberliegenden glatten Wand wurden mit Hilfe von Flüssigkristallen bestimmt. Diese Daten wurden in einem System mit gleichmäßigem Wärmestrom gemessen, welcher an der Grenzfläche Feststoff-Flüssigkeit erzeugt wurde. Die Wärmeübergangsmuster an der Kanalwand zeigen die Spuren der Strömungseigenschaften aus den Geschwindigkeitsmessungen. Ganzheitlich betrachtet zeigt die Oberseite der Rippen die höchste Nusselt-Zahl unter allen betrachteten Oberflächen. Die Rippen erhöhen den globalen Wärmeübergang um 14%. Die aerothermischen Ergebnisse legen nahe, dass eine bestimmte Grenze zur Verbesserung des Wärmeübergangs bei Änderungen einer oder mehrerer geometrischer Parameter existiert. Vor diesem Hintergrund wurden die Rippen schräg angeordnet und relativ zu den Schlitzen versetzt. Beide Maßnahmen haben bewiesen, dass sie zur Verringerung von Ausdehnung und Intensität der oben genannten Hotspots beitragen: ein Anstieg um etwa 20% in der gemittelten Wärmeübergangszahl bezogen auf die Standardkonfiguration ist zu verzeichnen. Das thermische Verhalten der berippten Wand wurde auch im Bereich des konjugierten Wärmeübergangs untersucht, um den Einfluss der Wärmeleitung der Wand auf den Wärmeübergang zu untersuchen. Durch Einhaltung eines für Gasturbinen realistischen Verhältnisses der thermischen Leitfähigkeit (fest-flüssig), wurden korrekte thermische Randbedingungen für das Problem erlangt. Diese garantieren die Gleichheit zwischen den Bedingungen im Labor und den realen Bedingungen im Triebwerk. Um alle thermischen Muster auf der betrachteten Wand mit Rippen zu bestimmen, wurde die Infrarotthermographie gemeinsam mit der Finite-Elemente-Analyse eingesetzt. Die Nusselt-Zahl in einem konjugierten System weicht lokal um 30% und global um 25% von den Ergebnissen des rein konvektiven Wärmeübergangs ab. Dies bedeutet, dass die maximale Oberflächentemperatur unter Realbedingungen um 26 bis 33 K von den Ergebnissen mit einem konstanten Wandwärmestrom als Randbedingung abweicht. Eine Verringerung der Wärmeleitfähigkeit der Wand führt zu einer Erhöhung des gesamten Wärmeübergangs an der berippten Oberfläche. Andererseits verstärken niedrigere Wärmeleitfähigkeiten lokale Temperaturgradienten und Maximalwerte.