Wärmeübertragung in 3D-Schaufelkanälen - Systematische Generierung und Untersuchung von konturierten Schaufelseitenwandgeometrien für Turbomaschinen mit Hilfe der Eisformationsmethode

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Bernhard Weigand
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 174475364

Für das auf Forschungsprojekt Wärmeübergang in 3D-Schaufelkanälen wird hiermit die Förderung für die zweite Projektphase beantragt. In den ersten beiden Jahren des Projekts wurde die Eisformationsmethode erfolgreich eingesetzt. Es konnten Seitenwandkonturen gefunden werden, die einen um bis zu 11% reduzierten integralen Wärmeübergang gegenüber einer unkonturierten Seitenwand aufwiesen. Weiteres Verbesserungspotenzial wird sich aus den Untersuchungen der zweite Projektphase ergeben. Hier sollen die Aspekte des transienten Eiswachstums weiter untersucht werden. Es soll geklärt werden, ob sich schon während des Wachstumsprozesses der Eisschicht andere interessante Topologien ausbilden, die lokale Optima in Druckverlust- und/oder Wärmeübergangsverhalten aufweisen. Dazu sollen experimentell Konturen zu unterschiedlichen Zeitpunkten des Eiswachstums vermessen werden, welche dann bezüglich Entropieproduktionsraten, Wärmeübergang, und Druckverlust analysiert werden. Um zu klären, wie sich unterschiedliche Anfangsbedingungen im Optimierungsprozess auf dessen Ergebnis auswirken, werden numerische Optimierungen mit diesen Eiskonturen als Startgeometrien durchgeführt. Da sich gezeigt hat, dass auch die Bereiche vor und hinter der Schaufelkaskade einen Einfluss auf den Wärmeübergang der Seitenwand haben, soll die gekühlte Fläche in diesen Bereichen erweitert werden. Damit werden mehr Freiheitsgrade zur Verfügung gestellt und es ergeben sich neue Topologien. Die experimentell erzeugten Eiskonturen werden als Startgeometrien für die numerische Optimierung mit unterschiedlichen Zielfunktionen verwendet und die entstehenden Konturen analysiert. Eine Erweiterung der numerischen Berechnungen auf gasturbinenspezifische Verhältnisse wird sicherstellen, dass die erzeugten Konturen auch in realen Anwendungen eingesetzt werden können. Weiterhin soll die Seitenwandkonturierung bei Kühlfluidausblasung, durch einen Schlitz vor der Schaufel, untersucht werden, um zu klären, welchen Einfluss diese Ausblasung auf die Eistopologie hat. Durch eine abschließende Betrachtung der erzeugten Seitenwandkonturen sollen Designempfehlungen für die Konturierung von Seitenwänden abgeleitet werden. Diese ermöglichen es Seitenwandkonturen zu generieren, die genau auf den jeweiligen Anwendungsfall angepasst sind. So reduziert z.B. die Verwendung einer Seitenwandkontur für min. Wärmeübergang den benötigten Kühlluftbedarf merklich und führt damit zu einer höheren Lebensdauer der Komponenten sowie zu einem höheren thermischen Wirkungsgrad.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Institution: Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V.
• Beteiligte Person: Professor Dr.-Ing. Sven Olaf Neumann