ISBN 978-3-8439-1591-5

978-3-8439-1591-5, Reihe Thermodynamik

Bernhard Kobiela
Wärmeübertragung in einer Zyklonkühlkammer einer Gasturbinenschaufel

179 Seiten, Dissertation Universität Stuttgart (2013), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Eine besonders wirkungsvolle Methode, den konvektiven Wärmeübergang in internen Kühlkanälen von Gasturbinenschaufeln zu intensivieren, stellen Zyklonkammern dar. Dies sind Kühlkanäle mit vorzugsweise rundem Querschnitt, die von einer stark drallbehafteten Strömung durchströmt werden. Bei relativ geringem Kühlluftbedarf sind die Geschwindigkeiten in Wandnähe, die Turbulenz im Kanal und damit der Wärmeübergang sehr stark. Die Auslegung einer Zyklonkammer ist bisher in numerischen Simulationen nur eingeschränkt möglich, da durch die stark anisotrope Turbulenz und die großen radialen Druckgradienten der turbulente Wärmetransport von vorhandenen Turbulenzmodellen nur unzureichend erfasst wird.

In der vorliegenden Arbeit wurden die Strömung und der Wärmetransport in einer Zyklonkammer sowohl experimentell als auch numerisch untersucht. In den Experimenten wurden die Wirbelstruktur, das Geschwindigkeitsfeld, die Temperaturverteilung und der Wärmeübergang vermessen. Im numerischen Teil wurde ein neues anisotropes Modell für den turbulenten Wärmetransport in kompressiblen Fluiden entwickelt. Mit diesem kann der Wärmeübergang mit sehr guter Übereinstimmung mit den Experimenten berechnet werden.

In der hier untersuchten Zyklonkammer bildet sich ein Rankinewirbel (Potenzialwirbel mit viskosem Kern). Der Drall ist so stark, dass sich die Strömung in einem Zustand nach dem Wirbelzusammenbruch befindet: Entlang der Kanalwand bildet sich eine schnelle axiale Strömung, im Wirbelkern fließt die Kühlluft axial zurück. Es wird gezeigt, dass diese Rückströmung oberhalb einer kritischen Drallzahl eintritt und durch das Druckfeld verursacht wird, das dadurch entsteht, dass sich der Drall aufgrund der Wandreibung über die Kanallänge abschwächt.

Im Kern des Wirbels ist sowohl die statische als auch die Totaltemperatur der Luft kälter als in der umgebenden Strömung. Diese Totaltemperaturtrennung, der Ranque-Hilsch-Effekt, wird bisher in der Literatur kontrovers diskutiert. In der Herleitung des neuen Wärmetransportmodells wurde erstmalig der dem Ranque-Hilsch-Effekt zugrunde liegende Mechanismus aus den Strömungserhaltungsgleichungen heraus beschrieben und in RANS-Simulationen berechenbar.

Wenn das Geschwindigkeitsfeld richtig berechnet wird, kann der Wärmeübergang mit dem neuen Modell mit unter 10% Abweichung zu den Experimenten berechnet werden. Wird das weit verbreitete Modell der konstanten turbulenten Prandtlzahl verwendet, beträgt die Abweichung ca. 30%.