Influence of local air extraction due to film cooling on the flow field and heat transfer in cooling channels with variation of rib geometry and position
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurden experimentelle und begleitende numerische Untersuchungen an einem Modellprüfstand aus Plexiglas durchgeführt. Die Wärmeübergangsmessungen erfolgten mit thermochromatischen Flüssigkristallen und die Strömungsfeldmessungen wurden mit einem 2D-PIV-System durchgeführt. Es wurden sowohl die Filmlochpositionen in lateraler und Strömungsrichtung variiert, als auch die Rippenform verändert. Generell verursacht die Lochdurchströmung eine Anfachung des Wärmeübergangs im Nahbereich der Filmlöcher, unabhängig von deren Position im Rippensegment. In Abhängigkeit der durch die Rippen hervorgerufenen Sekundärströmungsstruktur ergeben sich verschiedene vorteilhafte Filmlochpositionen bezüglich des internen Wärmeübergangs. Bei 90°- und 60°-Rippen sind die Lochpositionen nahe der stromauf-gelegenen Rippe günstig, da in diesem Fall die Filmlöcher Fluid aus dem Rezirkulationsgebiet stromab der Rippe entfernen und damit das Gebiet geringen Wärmeübergangs im Rippensegment verkleineren. Bei V-Rippen ist ebenfalls die Position nahe der stromauf-gelegenen Rippe günstig, allerdings zeigt sich zusätzlich, dass die seitliche Positionierung Vorteile gegenüber der mittigen Positionierung bringt. Die mittige Positionierung nahe der stromauf-gelegenen Rippe verursacht eine Schwächung der Sekundärströmungsstruktur, durch die Absaugung von Massenstrom an deren Startpunkt. Für die seitliche Positionierung ist die Sekundärströmung stärker ausgeprägt, was den Wärmeübergang positiv beeinusst. Auch bei den Λ-Rippen ergeben sich Unterschiede zwischen mittiger und seitlicher Filmlochpositionierung im Kanal. Wie auch bei den anderen Rippenformen sind die Positionen nahe der stromauf-gelegenen Rippe bei seitlicher Positionierung günstig, da die Ausdehnung des Rezirkulationsgebietes durch die Massenstromextraktion verringert wird. Gleichzeitig gibt es eine weitere vorteilhafte Position, die mittig nahe der stromab-gelegenen Rippe liegt. Dies ist durch die Sekundärströmungsstruktur bedingt. Diese Position bendet sich am Punkt des Zusammentreffens der beiden unteren Sekundärwirbel im Kanal, was das Wiederanlegen der Strömung und damit den Wärmeübergang begünstigt. Zusammenfassend ist festzustellen, dass Filmlochpositionen nahe des durch die Rippen verursachten Rezirkulationsgebietes vorteilhaft sind. Zudem kann es weitere Positionen im Rippensegment geben, die den internen Wärmeübergang begünstigen. Diesbezüglich ist die rippeninduzierte Sekundärströmungsstruktur ausschlaggebend. Die Kühlkanal-Reynoldszahl und die Absaugrate SR beeinussen primär die Größenordnung der Nusseltzahl und die Ausmaße der Unterschiede bei Variation der Filmlochposition, jedoch nicht die grundlegenden Tendenzen. Eine Interaktion aufeinander folgende Rippensegmente mit Kühlluft-Extraktion konnte insbesondere für die 90°-Rippen mit einem leicht ansteigenden Wärmeübergang festgestellt werden. Die anderen Rippengeometrien zeigen hingegen eine Reduktion des Wärmeübergangs in aufeinander folgenden Rippensegmenten, welche sich mit der Verringerung des Gesamtmassenstroms erklären lässt.
Publications
- (2019): Experimental Study on the Influence of the Streamwise Position of Film Hole Extraction in Internal Ribbed Cooling Channels of Turbine Blades. Journal of the Global Power and Propulsion Society, 3: 580-591
Böttger, M.; Lange, M.; Mailach, R., und Vogeler, K.
(See online at https://doi.org/10.33737/jgpps/110621) - (2019): Experimental Study on the Inuence of the Streamwise Position of Film Hole Extraction in Internal Ribbed Cooling Channels of Turbine Blades. In: Proceedings of Technical Conference 2019 of Global Power and Propulsion Society, Zurich, Paper No. GPPS-TC-2019-0019
Böttger, M.; Lange, M.; Mailach, R., und Vogeler, K.
(See online at https://doi.org/10.33737/GPPS19-TC-019)
