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Experimentelle Untersuchung der Zyklonkühlung mithilfe von Stoffübergangsmessungen

Winter, Nils :
Experimentelle Untersuchung der Zyklonkühlung mithilfe von Stoffübergangsmessungen.
TU Darmstadt, Fachgebiet GLR
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Experimentelle Untersuchung der Zyklonkühlung mithilfe von Stoffübergangsmessungen
Language: German
Abstract:

Die steigenden Anforderungen an Flugtriebwerke führen zu immer höher werdenden Gastemperaturen am Austritt der Brennkammer. Das heiße Gas wird der folgenden Turbine beaufschlagt, wodurch sich hohe Anforderungen an die verwendeten Materialien ergeben. Trotz stetiger Weiterentwicklung der Schaufelwerkstoffe liegt die Gastemperatur weit oberhalb der maximalen Materialtemperatur. Um dennoch einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, werden die Bauteile durch Luft aus dem Verdichter gekühlt. Da die zur Kühlung genutzte Luft nicht mehr vollständig Energie bringend nutzbar ist, ist man bestrebt die Kühlluftmenge soweit als möglich zu reduzieren bzw. den Wärmeübergang zu erhöhen. Als eine neuartige, noch nicht genutzte interne Kühlmethode der Beschaufelung gilt die Zyklonkühlung, bei der die Luft im Kühlkanal mit einem Drall versehen wird. Die Rotorschaufeln der Turbine bilden ein drehendes System. In diesem System wirken auf die Strömung im Inneren bezogen auf den nicht rotierenden Fall zusätzliche Kräfte: die Zentrifugal- und die Corioliskraft. Die Corioliskraft führt bei drallfreien Strömungen zu Sekundärströmungen, die wiederum den Wärmeübergang beeinflussen. Eine wichtige Frage bezügliche der Drallströmung ist, ob diese auch unter rotierenden Bedingungen erhalten bleibt und inwiefern die Rotation einen Einfluss auf den Wärmeübergang hat. Um dies zu ergründen, werden experimentell die Stoffübergänge am Modell eines runden Kühlkanals mit verschiedenen Drehzahlen, Drallstärken und Reynoldszahlen ermittelt. Durch die Ausnutzung der Analogie von Wärme- und Stoffübergang können die gewonnenen Daten prinzipiell vom Stoffsystem in das Heißgassystem übertragen werden. Zur Charakterisierung der Zustände werden die dimensionslosen Kenngrößen Reynoldszahl, Rotationszahl und geometrische Drallzahl genutzt. Die Potenzialanalyse der Zyklonkühlung ergibt, bezogen auf eine drallfreie Rohrströmung unter gleichen Bedingungen, einen Zuwachs des Stoffübergangs im untersuchten Bereich um einen Faktor von mindestens 2.5 bis 3.4. Für eine konstante Drallzahl verhält sich die Abhängigkeit der globalen Sherwoodzahl, d. h. der flächengemittelte Werte des dimensionslosen Stoffübergangs, in erster Näherung linear mit der Reynoldszahl. Für eine konstante Reynoldszahl kann bei steigender geometrischer Drallzahl ebenfalls ein Zuwachs im Stoffübergang festgestellt werden. Die Zuwachsrate nimmt allerdings mit steigender Drallzahl ab. Dennoch kann von einer stetigen Steigerung ausgegangen werden, solange keine Schallgeschwindigkeiten erreicht werden, bei deren Erreichen eine Änderung der Strömungsform möglich ist. Der Einfluss der Rotation auf den globalen Stoffübergang kann als vernachlässigbar im betrachteten Bereich angesehen werden. Lokal treten leichte Ungleichverteilungen auf, die aber für das Kühlpotenzial von untergeordneter Bedeutung sein dürften. Eine Reaktion der des Stoffübergangs bei Änderung des Auslassquerschnittes konnte erst bei starker Verminderung des Querschnittes ausgemacht werden. Wird der Auslass zudem aus der Mittelachse des Rohres herausgelegt, scheint sich die komplette Strömungsform zu ändern, was aber im Detail noch untersucht werden muss. Bei Untersuchungen mit einer anderen Art der Drallerzeugung wurde eine Grenze des Messverfahrens erreicht. Ein Vorschlag zur Erweiterung der Grenze wurde erprobt und scheint brauchbare Resultate zu liefern. Eine abschließende Validierung mit einer anderen Messmethode konnte nicht durchgeführt werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Growing requirements to aircraft engines result in constant increase of temperatures, used at combustion chamber exit. The hot gas is conveyed to the downstream turbine, whereby high requirements to the applied materials arise. In spite of constant development of blade material, the gas temperature is far above the maximum material temperature. Nevertheless, in order to guarantee a safe operation, the structural elements are cooled by compressor air. As the air used for cooling can not be used to bring energy to a full extent any more, its quantity is reduced, and heat transfer is respectively increased as far as possible. Cyclone cooling is an innovative internal method of blading cooling, whereby air in the cooling channel is provided with a swirl. The method has never been used before. Rotor blades of the turbine make up a rotating system. Within this system, referring to the non-rotating case, additional forces will have an inside impact on the flow: centrifugal force and the Coriolis force. In swirl-free flows the Coriolis force results in secondary flows, which then again influence the heat transfer. An important question regarding the swirling flow is whether it also remains under conditions of rotation, and how far can rotation influence the heat transfer. In order to fathom this, the mass transfers are experimentally determined in a model of a round cooling channel with different rotation speed, swirl force and Reynolds number. By applying an analogy of heat and mass transfer, the data obtained can in principle be carried over from mass system to hot gas system. Dimensionless parameters of Reynolds number, rotation number and geometric swirl number are used to characterize the conditions. Referring to a swirl-free pipe flow under the same conditions, the potential analysis of cyclone cooling shows an increase of mass transfer by a coefficient of minimum 2.5-3.4 in the area studied. For a constant swirl number, the dependence of the global Sherwood number, i.e. dependence of surface averaged values of dimensionless mass transfer, is in a first approximation linear with Reynolds number. For a constant Reynolds number, an increase of mass transfer can be observed as well in conditions of a growing geometric swirl number. However, the growth rate decreases as the swirl number grows. Nevertheless, one can speak of a constant increase as long as the sound speed, by which the flow form could be changed, is not reached. Influence of rotation upon the global mass transfer can be considered as negligible in the given area. Local light non-uniform distributions arise, but they could be of a secondary importance for the cooling potential. A reaction of mass transfer, when changing the outlet cross-section, could be noticed only after a considerable reduction of the cross-section. When the outlet to it is put out of the pipe center line, the complete flow form seems to change, which however must be still studied in details. While performing the research with another type of swirl generation, a limit of measurement process was reached. A suggestion to extend the limits has been tested, and it seems to provide practical results. A final validation with another method of measurement could not be performed.English
Uncontrolled Keywords: Zyklonkühlung, cyclone cooling, Naphthalin-Sublimation, Schaufelkühlung, Turbine
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Zyklonkühlung, cyclone cooling, Naphthalin-Sublimation, Schaufelkühlung, TurbineUNSPECIFIED
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau > Gasturbinen, Luft- und Raumfahrtantriebe
Date Deposited: 16 Mar 2011 10:08
Last Modified: 07 Dec 2012 11:59
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-24199
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Schiffer, Prof.-Dr. H.-P. and Berg, Prof.-Dr. H.-P.
Refereed: 6 July 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2419
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