Einfluss der Rippenposition in einem Kühlkanal auf die Filmkühlung an der ebenen Platte und den inneren Wärmeübergang
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In modernen Kühlsystemen der Hochdruckturbine werden zur Anfachung des internen Wärmeübergangs Turbulatoren eingesetzt. Ausserdem wird über kleine Kühlbohrungen ein Teil der, durch das Kühlsystem transportierten, Kühlluft entnommen und in die Heißgasgrenzschicht eingeblasen. Die Fertigung dieser Bohrungen erfolgt erst im Anschluss an das Gießen des Kühlsystems durch einen mechanischen Bearbeitungsschritt. Aufgrund von Gießungenauigkeiten gepaart mit Fertigungstoleranzen beim Bohrprozess der Löcher, kann daher die Position im vorgesehenen Rippenfach deutlich variieren. Anhand der in diesem Projekt durchgeführten, detaillierten Vermessung des Strömungsfeldes und des internen Wärmeübergangs konnten fundierte Antworten auf die Frage des Einflusses der Bohrungsposition hinsichtlich der Filmkühlausblasung und des kühlluftseitigen Wärmeübergangs gefunden werden. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass nicht per se eine mittige Position der Kühlluftbohrungen im Rippenfach anzustreben ist. Vielmehr muss bei der Gestaltung des Kühlsystems hinsichtlich der Lochplatzierung eine Kombination aus verschiedenen Effekten beachtet werden. Einerseits lässt sich durch die Stromaufverschiebung der Locheintritte in das Gebiet der Rezirkulationszone der Wärmeübergang lokal wie auch flächengemittelt anfachen. Dies wird aber mit erhöhten Druckverlusten beim Durchströmen der Kühlbohrungen erkauft. In der Nachlaufzone der Rippe wird durch die Extraktion ein Grossteil der sich dort ausbildenden rezirkulierenden Strömung entfernt. Da dieses Gebiet normalerweise durch die gestörte thermische Grenzschicht von sehr geringen Wärmeübergängen geprägt ist, wird durch die Lageveränderung eine lokale Erhöhung im Wärmeübergang herbeigeführt. Weiterhin zeigen die Strömungsfelder im Kühlkanal, dass aufgrund des Blockageeffektes der Rippe die axiale Zuströmung zu den Kühllöchern im Einsaugbereich unterbunden wird. Um bei annähernd gleichem Druckverhältnis und variierender Rippenposition den gleichen Massenstrom für die Bohrungen zu erhalten, ändert sich das Einsaugverhalten der Kühlbohrungen. Dabei zeigen sich mit geringerer Distanz zur Rippe erhöhte wandnormale Geschwindigkeitskomponenten in einem deutlich ausgedehnterem lateralen Gebiet. Dies deutet auf eine stärkere Ansaugung von Fluid aus dieser Richtung hin und korrespondiert erstaunlich gut mit den gemessenen Wärmeübergängen die eine ähnliche Verteilung mit erhöhten Werten aufweisen. Werden dagegen die Bohrungseintritte vor der nächsten Rippe positioniert, so hat dies Auswirkungen auf Strömungsfeld und Wärmeübergang im nächsten Rippenfach. Die Absaugung von Fluid direkt an der Stirnseite der Rippe führt zu einer stärkeren Krümmung der Stromlinien und damit zu einem früheren Wiederanlegen der Strömung. Es zeigen sich erhöhte wandnormale Geschwindigkeitskomponenten im Gebiet des Staupunktes, koinzidierend mit lokal begrenzt höheren Wärmeübergängen. Würden beide Einflüsse in einem realen Kühlsystem durch die laterale Staffelung der Bohrungen kombiniert, so könnte die Wärmeübergangsanfachung infolge Extraktion sowie deren Einfluss auf das nächste Rippensegment optimal ausgenutzt werden. Es zeigte sich weiterhin, dass sich generell die gefundenen, kühlluftseitigen Effekte der Absaugung auf den Bereich geringer Reynoldszahlen beschränken und mit größerem Kühlkanaldurchsatz immer schwächer ausgeprägt sind. Dies liegt in dem kleiner werdendem Massenstromverhältnis begründet. Einen relevanten Einfluss der Rippenposition auf das Strömungsfeld der Filmkühlausblasung sowie auf den Druckverlust im Kühlkanal konnte nicht festgestellt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 2013. „Einfluss der Rippenposition in einem Kühlkanal auf die Filmkühlung und den inneren Wärmeübergang“
Kunze, M., Vogeler, K.
- 2013. „Flow Field Investigations on the Effect of Rib Placement in a Cooling Channel With Film-Cooling“. ASME Paper GT2013-94096, Conference Proceedings of ASME Turbo Expo, San Antonio, USA, June 3rd -7th
Kunze, M., Vogeler, K.
