Experimentelle und numerische Untersuchungen der Strömung und des Wärmeübergangs in konischen Zyklonkühlkammern

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Bernhard Weigand
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 363548659

Die Hauptziele bei der Entwicklung industrieller Gasturbinen und Fluggasturbinen sind die Reduktion des Treibstoffverbrauchs sowie die drastische Reduktion des Schadstoffausstoßes. Dies kann z. B. durch die Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades der Gasturbine mit Hilfe einer Erhöhung der Prozesstemperatur erreicht werden. Die erhöhte Brennkammertemperatur und die erhöhte Turbineneintrittstemperatur liegen allerdings heute schon weit über der Schmelztemperatur des Schaufelmaterials, wodurch die Entwicklung effizienter interner Turbinenschaufelkühlungsstrategien notwendig ist. Gegenwärtig werden verschiedene interne Kühlkonzepte intensiver untersucht wie z. B. berippte Kanäle, umströmte Zylinder, Prallstrahlen, Dimples und Zyklonkühlkammern. Zyklonkühlkammern (Wirbelrohre) zeichnen sich hierbei durch sehr hohe Wärmeübergänge aus. In der ersten Förderperiode (FP1) dieses Projekts wurden Wirbelrohre mit konvergenten Rohrquerschnitten in Strömungsrichtung sowohl experimentell als auch numerisch untersucht. Hierbei konnte eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Messergebnissen, wie z.B. dem mit der instationären Flüssigkristalltechnik gemessenen Wärmeübergang, für das Wirbelrohr und Detached Delayed Eddy Simulations (DDES) erzielt werden. Darüber hinaus spielen Stabilitätseffekte bei Wärme- und Stoffübertragungsvorgängen eine wichtige Rolle. Deshalb wurde die Stabilität der Strömung im Wirbelrohr mit Hilfe verschiedener Stabilitätskriterien untersucht, wobei ein Schwerpunkt auf das Stabilitätskriterium von Marsik gelegt wurde, das auf dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik beruht. In dem hier geplanten Fortsetzungsantrag für die zweite Förderphase (FP2) sollen die Untersuchungen nun auf in Strömungsrichtung divergente Rohrquerschnitte von Zyklonkühlkammern ausgeweitet werden. Durch die sich erweiterte Querschnittsfläche in Strömungsrichtung wird der Drall und die entstehenden Ablösegebiete deutlich beeinflusst. Die Strömung wird damit gezielt destabilisiert. Es ist zu erwarten, dass die Formgebung zu höheren Wärmeübergängen führen wird. Die Strömung und der Wärmeübergang in den divergenten Zyklonkühlkammern sollen hierbei analog zur FP1 numerisch mittels DDES und experimentell mittels PIV und der transienten Flüssigkristallmethode untersucht werden. Weiterhin sollen wieder Stabilitätsbetrachtungen für diese Geometrie basierend auf dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik durchgeführt werden. Am Ende des Projekts nach sechs Jahren liegt demnach ein detaillierter Kenntnisstand zum Einfluss konvergenter und divergenter Querschnittsverläufe in Zyklonkühlkammern vor. Dieses Verständnis der sehr komplexen Strömung und des Wärmeübergangs in konvergenten und divergenten Wirbelrohren soll dabei helfen solche Kühlsysteme später einmal z. B. in neuartigen Gasturbinenschaufeln erfolgreich zur Schaufelkühlung einsetzen zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen