Flow and heat transfer in complex impingement cooling configurations for cooling applications in future gas turbine blades
Hydraulic and Turbo Engines and Piston Engines
Final Report Abstract
Fortschritte in den Fertigungsmethoden für gekühlte Gasturbinenbauteile in den letzten Jahren haben integriert gefertigte komplexe Kühlungskonfigurationen, z.B. in Laufschaufeln, ermöglicht. Diese zeichnen sich u. a. durch räumlich begrenzte Prallkühlungsanordnungen aus, welche eine hohe Kühleffizienz bei relativ geringen Kühlmassenströmen aufweisen. Dies wirkt sich einerseits vorteilhaft auf die Reduktion von Schadstoffemissionen aus und ermöglicht andererseits eine Steigerung der Heißgastemperaturen. Die Erhöhung der Turbineneintrittstemperatur ist dabei wesentlich für eine weitere Steigerung des thermischen Wirkungsgrades und damit der Verringerung des Kraftstoffbedarfs bei gleicher Leistung. Ziel dieses Projekts war die Charakterisierung der auftretenden aerothermischen Prozesse in einer anwendungsnahen Prallkühlungskonfiguration mittels detaillierter optischer Messungen und numerischer Simulationen. Dabei wurden neben unterschiedlichen Strömungsbedingungen auch geometrische Variationen analysiert. Die komplexe Situation erfordert eine integrierte experimentelle und numerische Vorgehensweise, um die verschiedenen auftretenden Prozesse in Kombination und auch hinsichtlich einzelner Phänomene gesamthaft beurteilen zu können. Verschiedene numerische Modellierungsvarianten haben u. a. den Einfluss der Anströmsituation der Prallbohrungen deutlich gemacht und gezeigt, welche Gebietsmodellierung unter Berücksichtigung des numerischen Rechenaufwandes die Prozesse bei den Strahl-Wandinteraktionenen geeignet abbilden können. Die Strömungsmessungen wurden mittels der Particle Image Velocimetry (PIV) in mehreren Messebenen durchgeführt. Korrespondierende Messungen für die lokalen Wandübergangsverteilungen wurden mittels der transienten Flüssigkristallmesstechnik (TLC) vorgenommen. Aus diesen Untersuchungen konnten die Zusammenhänge zwischen Strömungssituation und Wärmeübergang in den Auftreffbereichen der Prallstrahlen auf die Wände mit sehr hohen Wärmeübertragungsraten und lokalen Rezirkulationsgebieten kleiner Geschwindigkeiten mit geringen Wärmeübergängen aufgezeigt werden. Für die genauere Betrachtung des Wärmeübergangs hat sich gezeigt, dass auch das thermische Mischungsverhalten, insbesondere bei Prallstrahlen unterschiedlicher Temperatur, bekannt sein muss. Dieses wurde anhand stationärer Messungen und Simulationen bewertet. Die lokale Mischungseffizienz der Prallstrahlen ist dabei unabhängig vom Gesamtmassenstrom bzw. der Reynoldszahl. Gleichzeitig konnten durch detaillierte numerische Untersuchungen wesentliche Annahmen in der experimentellen Messmethodik analysiert und verifiziert werden. Dazu wurde mithilfe der OpenFOAM- Simulationsumgebung der transiente Vorgang der experimentellen Untersuchungen nachgebildet und auch die Kopplung zwischen der Strömungssituation und des thermischen Verhaltens der Kanalwände während des instationären Messvorgangs analysiert. Eine entsprechend dem Experiment gewählte Bewertung der Wärmeübergangsdaten zeigt, dass sich dadurch bessere Ergebnisse im Vergleich zum Experiment ergeben. Weiterhin konnte durch die numerische Modellierung der Einfluss unterschiedlicher thermischer Randbedingungen analysiert werden, was im Experiment aufgrund der verwendeten Messmethodik nicht möglich war. Mit diesen Ergebnissen liegt eine detaillierte Datenbasis zur Bewertung der komplexen Prozesse für die untersuchten fortschrittlichen Kühlungskonfigurationen für die Auslegung bei Gasturbinenlaufschaufeln vor. Diese umfasst Informationen, wie sie für ein lokal angepasstes Kühlungsdesign zur Steigerung der Effizienz des Systems „Gasturbine“ notwendig sind. Weiterhin weisen die Ergebnisse die erfolgreiche Interaktion zwischen experimentellen und numerischen Analysen nach. Mit diesen sich ergänzenden Möglichkeiten konnten die Bewertung der experimentellen Methodik durch die numerischen Untersuchungen und die Qualifizierung des numerischen Modells anhand der experimentellen Resultate erfolgreich durchgeführt werden.
Publications
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A Particle Image Velocimetry- Based Investigation of the Flow Field in an Oblique Jet Impingement Configuration, ASME Turbo Expo, San Antonio, Texas, U.S.A., GT2013-94780, 2013
S. Schulz, S. Schüren, J. von Wolfersdorf
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Numerische Untersuchung einer anwendungsnahen schrägen Prallstrahlkonfiguration in einer thermische hochbelasteten Gasturbinenschaufel, Dissertation, Institut für Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt, Universität Stuttgart, 2013
S. Schüren
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A Particle Image Velocimetry- Based Investigation of the Flow Field in an Oblique Jet Impingement Configuration, ASME Journal of Turbomachinery, vol. 136, 051009-1-10, 2014
S. Schulz, S. Schüren, J. von Wolfersdorf
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An Experimental And Numerical Investigation On The Effects Of Aerothermal Mixing In A Confined Oblique Jet Impingement Configuration, ASME Turbo Expo, Montreal, Quebec, Canada, GT2015-42286, 2015
S. Schulz, A. Schindler, J. von Wolfersdorf
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An Experimental and Numerical Investigation on the Effects of Aerothermal Mixing in a Confined Oblique Jet Impingement Configuration, ASME Journal of Turbomachinery, vol. 138, pp. 041007-1-10, 2016
S. Schulz, A. Schindler, J. von Wolfersdorf
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On the effects of coating thickness in transient heat transfer experiments using thermochromic liquid crystals, Experimental Thermal and Fluid Science, vol. 70, pp. 196-207, 2016
S. Schulz, S. Brack, A. Terzis, J. von Wolfersdorf, P. Ott
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Flow and heat transfer phenomena in a complex impingement system for integrally cooled turbine blades, Dissertation, Institut für Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt, Universität Stuttgart, 2017. München, Verlag Dr. Hut. - 281 S., 978-3-8439-3498-5
S. Schulz
