Untersuchung effizienter Filmkühlkonfigurationen in realistisch turbulenter Außenströmung

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Pfitzner
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 324866747

Die Entwicklung zukünftiger, schadstoffarmer Gasturbinenbrennkammern erfordert effiziente Kühlkonzepte, die durch möglichst geringen Kühlluftbedarf mehr Möglichkeiten bei der Verbrennungssteuerung gewähren. Neuartige Kühlkonfigurationen wie die Trenchkühlung, wo die Kühlluft aus der Effusionsbohrung durch Aufstau in einer Nut lateral verteilt wird, können die Kühleffektivität gegenüber der reinen Effusionskühlung um bis zu eine Größenordnung erhöhen. Die hohen Kühlwerte wurden bei Hauptströmung mit Turbulenzintensitäten von Tu = 1% gemessen. Durch die hohe Turbulenzintensität in realen Brennkammern kann die Kühlwirkung der Trench-Geometrien jedoch reduziert werden, da das Abheben der Kühlluft von der Oberfläche und die Vermischung mit der Hauptströmung begünstigt werden kann.Im Rahmen des beantragten Forschungsvorhabens soll durch experimentelle und numerische Untersuchungen ein vertieftes Verständnis der detaillierten Strömungs- und Wärmetransportphänomene in den Kühlfilmen von Effusions-, Trench- und optimierten Trench-Filmkühlungskonfigurationen erarbeiten werden. Hierbei liegt ein besonderes Augenmerk auf der Erhöhung der Hauptströmungs-turbulenz, wodurch eine brennkammertypische Anströmung des Kühlfilms geschaffen wird. Ziel ist es, den Einfluss der Hauptströmungsturbulenz auf die komplexen instationären Strömungs-, Mischungs- und Wärmeübergangsvorgänge, sowie die dadurch entstehenden Wärmeübergangskoeffizienten und Filmkühleffektivitäten zu untersuchen. Die daraus gewonnen Erkenntnisse sollen anschließend in die Entwicklung von neuen CFD Codes einfließen um die turbulenten Mischungsvorgänge in Zukunft besser vorher sagen zu können. Für die experimentellen Untersuchungen sollen berührungslose optische Messtechniken verwendet werden. Neben Techniken wie LDA und High-Speed PIV, die bereits zu den Standardverfahren zählen, sollen neuartige Messtechniken optimiert und eingesetzt werden. Durch eine Kombination aus Infrarot- und Phosphoreszenz-Messtechnik werden die Temperaturrandbedingungen für die Bestimmung des lokalen Wärmeübergangskoeffizienten gemessen. Die Verwendung von Thermographischem High-Speed PIV ermöglicht die parallele zeitaufgelöste Messung des Temperatur- und Geschwindigkeitsfeldes, wodurch detaillierte Untersuchungen der komplexen instationären Strömungsstrukturen und der turbulenten Flüsse möglich werden.Die Experimente werden begleitet und ergänzt von CFD-Rechnungen. RANS-Simulationen mit der kommerziellen Software ANSYS Fluent und realizable k-epsilon-Modell werden ergänzt durch detaillierte numerische Untersuchungen der Wirbel-Kühlfilm-Interaktion und der turbulenten Vermischung mittels Large-Eddy-Simulation unter Verwendung des quelloffenen CFD-Codes OpenFOAM.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen