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A Pragmatic Method for Matching Conjugate Heat Transfer Predictions of High-Pressure Turbine Blades with Thermal Paint Tests

Hilgert, Jonathan (2021):
A Pragmatic Method for Matching Conjugate Heat Transfer Predictions of High-Pressure Turbine Blades with Thermal Paint Tests. (Publisher's Version)
Darmstadt, DOI: 10.26083/tuprints-00019091,
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Item Type: Book
Status: Publisher's Version
Title: A Pragmatic Method for Matching Conjugate Heat Transfer Predictions of High-Pressure Turbine Blades with Thermal Paint Tests
Language: English
Abstract:

The development of novel high-pressure turbine blades necessitates a numerical validation of the cooling design. It has to be ensured that, on the one hand, the thermal loading capacity of the blade material is not exceeded and, on the other hand, that there are no penalties on the thermal efficiency due to the waste of cooling air. Since conventional methods for determining the heat transfer at the blade walls are solely based on fluid simulations, the thermal back coupling between the solid and the fluid is neglected. That is why conjugate heat transfer (CHT) calculations are being employed which couple the fluid side thermal prediction with the thermal conduction of the solid structure. In this work, the numerical prediction of turbine blades by means of CHT simulations is explored with regard to aero-thermal and numerical uncertainties. Two simple test cases are investigated which involve a solely internally cooled cascade vane and a leading edge model featuring a showerhead film cooling configuration. For both test cases, the uncertainties of the conjugate thermal predictions are evaluated with regard to measurement data. The gained knowledge is, then, transferred to a high-pressure turbine blade of a jet engine in the medium thrust segment. For the real engine blade, the numerical predictions are compared with thermal paint test results because the poor accessibility and the high temperatures make the use of conventional measurement techniques almost impossible. Based on the deviations between experiment and numerical simulations, a tool is introduced that uses an additional thermal contact resistance (TCR) to adjust the numerical prediction in order to achieve a match between conjugate heat transfer analysis and experimentally determined temperature values. In this way, the CHT models are made consistent with the measurement data. This helps to generate trustworthy temperature distributions in the material that can be used for life estimations of engine blades. In order to allow a practical application of the developed tool in the design process of blade cooling configurations, it is shown how the presented method can be transferred with regard to a change of the operating point or even regarding the relocation of film cooling holes.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Für die Auslegung moderner Hochdruckturbinenschaufeln ist eine numerische Validierung des Kühlluftdesigns erforderlich, um auf der einen Seite zu gewährleisten, dass die thermische Belastbarkeit des Schaufelmaterials an keiner Stelle überschritten wird und um auf der anderen Seite keine Wirkungsgradeinbußen durch nicht benötigte Kühlluft zu riskieren. Da konventionelle Methoden zur Ermittlung des Wärmeübergangs an den Schaufelwänden auf reiner Strömungssimulation basieren, wird die thermische Rückkopplung zwischen Struktur und Strömung vernachlässigt. Aus diesem Grund kommen konjugierte Wärmeübertragungsrechnungen ("Conjugate Heat Transfer", CHT) zum Einsatz, die die strömungsseitige Thermalvorhersage mit der Wärmeleitung in der Struktur koppeln. Im Rahmen dieser Arbeit wird die numerische Thermalvorhersage von Turbinenschaufeln mittels CHT Rechnungen in Hinblick auf aero-thermale und numerische Unsicherheiten erforscht. Zwei einfache Testmodelle werden in diesem Zusammenhang untersucht, die aus einer rein konvektiv gekühlten Kaskadenschaufel und einem Schaufel Vorderkantenmodell mit einer "Showerhead" Filmkühlkonfiguration bestehen. Für beide Testmodelle werden die Unsicherheiten der CHT-Vorhersagen mithilfe von Messwerten ermittelt und bewertet. Das so erhaltene Wissen wird anschließend auf die Hochdruckturbinenschaufel eines Triebwerks des mittleren Schubsegments übertragen. Für die reale Triebwerksschaufel werden aufgrund der schlechten Zugänglichkeit und der hohen Temperaturen in Bezug auf den Einsatz von herkömmlicher Messtechnik Thermalfarbentestergebnisse für den Vergleich mit den numerischen Vorhersagen herangezogen. Basierend auf den Abweichungen zwischen Experiment und numerischer Simulationen wird ein Tool vorgestellt, das einen zusätzlichen thermischen Kontaktwiderstand ("Thermal Contact Resistance", TCR) verwendet, um damit die numerische Vorhersage so einzustellen, dass ein "Match" zwischen CHT Rechnung und experimentell ermittelten Temperaturwerten erreicht werden kann. Auf diese Weise können die CHT-Modelle konsistent mit den Messwerten gemacht werden, was es ermöglicht, vertrauenswürdige Temperaturverteilungen im Schaufelmaterial zu erzeugen, die für die Lebensdauerberechnung von Turbinenschaufeln verwendet werden können. Um die konkrete Anwendung des entwickelten Tools im Auslegungsprozess von Kühlluftdesigns zu ermöglichen, wird außerdem gezeigt, wie sich die Methode hinsichtlich einer Betriebspunkt-Veränderung oder gar einer Umpositionierung von Filmkühlbohrungen übertragen lässt.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xi, 230 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Gas Turbines and Aerospace Propulsion (GLR)
Date Deposited: 28 Jul 2021 08:21
Last Modified: 28 Jul 2021 08:21
DOI: 10.26083/tuprints-00019091
Corresponding Links:
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-190918
Additional Information:

Erscheint auch im Shaker-Verlag als Band 16 der Reihe "Forschungsberichte aus dem Institut für Gasturbinen, Luft- und Raumfahrtantriebe" mit der ISBN 978-3-8440-8098-8.

Referees: Schiffer, Prof. Heinz-Peter ; Schäfer, Prof. Michael
Refereed: 21 April 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19091
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