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Untersuchungen zum Einfluss der Zyklonkühlung in einer Turbinenschaufel auf die adiabate Filmkühleffektivität

Lerch, Andreas :
Untersuchungen zum Einfluss der Zyklonkühlung in einer Turbinenschaufel auf die adiabate Filmkühleffektivität.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Untersuchungen zum Einfluss der Zyklonkühlung in einer Turbinenschaufel auf die adiabate Filmkühleffektivität
Language: German
Abstract:

Steigende Turbineneintrittstemperaturen, die Forderung nach einem möglichst geringen Kühlluftmassenstrom sowie zunehmende Temperaturen der Kühlluft selbst, stellen die Kühlsysteme von Turbinenschaufeln in Flugtriebwerken vor stetig wachsende Anforderungen. Das Ziel interner Kühlmethoden ist, einen möglichst hohen Wärmeübergang zu erreichen. Die sogenannte Zyklonkühlung, welche bisher in Flugtriebwerken noch nicht eingesetzt wird, weist dahingehend ein großes Potenzial auf. Hierbei wird dem Kühlfluid im schaufelinternen Kühlkanal ein Drall aufgeprägt. Die hieraus entstehenden, hochkomplexen internen Strömungsphänomene können sich jedoch negativ auf das Verhalten der externen Schaufelkühlung, der sog. Filmkühlung auswirken, und im Gesamtkühlkonzept der Turbinenschaufel eine interne Verbesserung zunichte machen. Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, diese Auswirkungen der Zyklonkühlung auf die Filmkühlung zu untersuchen. Somit werden der Entwicklung wichtige, auslegungsrelevante Grundlagen und Randbedingungen zukünftiger Kühlungssysteme zur Verfügung gestellt.

Hierfür wird auf der Oberfläche eines symmetrischen Turbinenschaufelmodells mit einer Reihe von acht zylindrischen Filmkühlbohrlöchern die adiabate Filmkühleffektivität vermessen, wobei der zylindrisch ausgestaltete Vorderkantenkanal mit verschiedenen Strömungsformen beaufschlagt wird. Während eine rein axiale Durchströmung als Referenz dient, liegt die Aufmerksamkeit auf drallbehafteten Strömungen, welche durch unterschiedliche Drallerzeugerarten generiert werden. Variiert werden jeweils die Drallrichtung sowie die dimensionslosen Kennzahlen: globale Ausblaserate und globale Filmkühlabnahme. Die adiabate Filmkühleffektivität wird mittels der hier weiterentwickelten, Online-kalibrierten Ammoniak-Diazo-Technik vermessen. Zusätzlich werden Strömungsvermessungen im Zyklonkanal und am Austritt der Filmkühlbohrungen sowie numerische Simulationen in den Bohrungen durchgeführt. Hiermit wird versucht, den Ursprung der an der Schaufel"-oberfläche auftretenden Phänomene zu ergründen.

Die Werte der adiabaten Filmkühleffektivität weisen eine hohe Abhängigkeit von der Drallsituation im Zyklonkanal auf. Im Speziellen bestimmt die Einströmsituation am Filmkühlbohrlocheintritt die Bildung von bohrungsinternen Ablöseblasen, bzw. Rückströmzonen, was wiederum die Geschwindigkeitsverteilung des Kühlfluids am Bohrungsaustritt beeinflusst. Durch Übergeschwindigkeiten aufgrund eines inhomogenen Ausströmprofils, dringt das Kühlfluid stärker in die Hauptströmung ein und die Kühlwirkung an der Schaufeloberfläche lässt nach. Dies ist vor allem bei hohen Umlenkwinkeln am Ort der Einströmung in die Filmkühlbohrung sowie bei niedriger Filmkühlabnahme zu beobachten.

Durch eine symmetrische Anbringung einer weiteren Bohrungsreihe wird die Interaktion zweier Drallorientierungen untersucht. Die unterschiedliche interne Versperrung der Filmkühlbohrlöcher durch Rückströmzonen, aufgrund der verschiedenen Zuströmwinkel, bewirkt eine druckverlustinduzierte Massenstromverschiebung. Somit ändern sich die bohrlochspezifischen Ausblaseraten um bis zu 50% gegenüber der globalen Ausblaserate. Dies hat wiederum eine Variation der Eindringtiefe des Kühlfluids in die Hauptströmung und hieraus folgend eine unterschiedliche Kühlwirkung an der Oberfläche zur Folge.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Continuously growing demands confront the cooling systems of turbine blades in aircrafts due to rising turbine entry temperatures, the need for the least possible coolant air mass flow, as well as the increasing temperature of the coolant air itself. The objective of internal cooling methods is to reach the highest heat transfer as possible. The so-called cyclone cooling, which is not yet used in jet engines, offers a great potential. In cyclone cooling, a swirl is impressed onto the cooling fluid in the blade's internal coolant duct. The resulting highly complex internal flow phenomena can, however, have a negative impact on the performance of the external blade cooling, the so-called film cooling. This can also outweigh the internal improvement of the turbine blade within the overall cooling concept. The subject of the present work is to investigate this impact of cyclone cooling on film cooling. Consequently, basic principles and boundary conditions for the design of future cooling systems will be made available. The adiabatic film cooling effectiveness is measured on the surface of a symmetrical blade model containing a row of eight cylindrical cooling holes. In the cylindrical leading-edge channel, variable flow types are created. The cyclone flow, which results using different types of swirl generators, is in the main focus, while the axial flow is used as a reference case. The swirl direction, as well as the non-dimensional parameters global blowing ratio and global film cooling discharge, are varied. The adiabatic film cooling effectiveness is measured by the here-enhanced, online calibrated ammonia diazo technique. In addition, the flows within the cyclone channel and at the exit of the cooling holes are measured, and numerical simulations of the flow in the cooling holes are performed. Hereby, the origin of the occurring phenomena on the blade's surface is explored. The values of the adiabatic film cooling effectiveness highly depend upon the swirl situation in the cyclone channel. Especially the flow situation at the cooling hole entry affects the formation of internal separation zones. In turn, these areas of recirculation influence the velocity distribution of the cooling fluid at the hole exit. Because of overspeed due to an inhomogeneous velocity profile at the cooling hole outlet, the cooling fluid penetrates deeper into the main air flow, while the cooling effect on the blade's surface decreases. This is especially observed with larger deflection angles at the cooling hole entry, as well as when using a low film cooling discharge. By symmetrically adding another row of film cooling holes, the interaction of two swirl orientations is investigated. The different internal blockage of the cooling holes caused by areas of recirculation due to varied inflow angles, results in a shift of mass flow induced by pressure loss. Hence the cooling hole specific blowing ratio changes up to 50 % compared with the global blowing ratio. In turn, this varies the depth of penetration of the cooling fluid into the main air flow, resulting in different cooling effects on the surface.English
Uncontrolled Keywords: Zyklon, Zyklonkühlung, Turbinen, Turbinenschaufel, Turbinenschaufelkühlung, Filmkühlung, Triebwerk, Ammoniak Diazo, Gasturbine, Filmkühleffektivität
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Cyclone, Cyclone cooling, turbine, turbine blade, turbine cooling, film cooling, jet engine, ammonia diazo, gas turbineEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau > Gasturbinen, Luft- und Raumfahrtantriebe
Date Deposited: 26 Sep 2012 12:17
Last Modified: 07 Dec 2012 12:05
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-30834
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Schiffer, Prof. Dr.- Heinz-Peter and Weigand, Prof. Dr.- Bernhard
Refereed: 23 May 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3083
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