Experimentelle Wärme-, Stoffübergangsuntersuchungen an einem rotierenden Kühlkanalmodell mit Rippen

Rathjen, Lars (2004)
Experimentelle Wärme-, Stoffübergangsuntersuchungen an einem rotierenden Kühlkanalmodell mit Rippen.
Technische Universität Darmstadt
Ph.D. Thesis, Primary publication

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Item Type:

Ph.D. Thesis

Type of entry:

Primary publication

Title:

Experimentelle Wärme-, Stoffübergangsuntersuchungen an einem rotierenden Kühlkanalmodell mit Rippen

Language:

German

Referees:

Hennecke, Prof. Ph.D Dietmar K. ; Berg, Prof. Dr.- Peter

Advisors:

Hennecke, Prof. Ph.D Dietmar K.

Date:

29 March 2004

Place of Publication:

Darmstadt

Date of oral examination:

4 November 2003

Abstract:

Die Innenkühlung der Schaufeln ist ein wesentliches Merkmal der Kühlung von thermisch hochbelasteten Turbinenstufen. Angestellte Rippen und 180°-Krümmer, sowie zusätzliche Volumenkräfte durch Rotation, beeinflussen das Strömungs- und Temperaturfeld in den Innenkühlkanälen. Mit dieser Arbeit soll ein Beitrag zum besseren Verständnis der Wirkung des komplexen Strömungsfeldes auf den Wärme-/Stoffübergang aller vier Wände eines quadratischen Kanals geleistet werden. Es werden zunächst die Grundlagen der Innenkühlung beschrieben und die, für diese Arbeit relevanten, Ursachen für die charakteristischen Sekundärbewegungen in Innenkühlsystemen erläutert. Für die experimentellen Untersuchungen wurde ein bestehender Prüfstand mit neuer Messtechnik und neuem Rotor mit Modell ausgestattet. Als Messverfahren kam die Naphthalin-Sublimationstechnik zum Einsatz, wodurch eine Betrachtung des Einflusses der Corioliskraft auf den lokalen Wärme-/Stoffübergang unabhängig von Auftriebseffekten möglich war. Anhand von Vergleichen mit Literaturangaben konnte die Funktionsfähigkeit bei der Durchführung von stationären, wie auch rotierenden, Versuchen nachgewiesen werden. Während der Versuchsdurchführung wurden drei verschiedene Rippenkonfigurationen, die Reynolds-Zahl sowie die Rotations-Zahl variiert. Die ermittelte Datenbasis wird systematisch analysiert. Dabei wird ein Hauptaugenmerk auf die lokalen Verteilungen der Stoffübergangsergebnisse im Rippenzwischenraum gelegt. Hierbei werden, ausgehend von Literaturangaben bezüglich des Geschwindigkeitsfeldes im stationären Modell, die Ursachen für den im rotierenden Modell gemessenen Wärme-/Stoffübergang erklärt. Des weiteren wird gezeigt, wie verschiedene Eintrittsrandbedingungen in einen rotierenden, berippten Kanal zu unterschiedlichen Resultaten führen können. Abschließend erfolgt eine vergleichende Bewertung der einzelnen Rippenkonfigurationen hinsichtlich des Nutzungsgrades. Anhand der Ergebnisse bleibt festzuhalten, dass die Eintrittsrandbedingungen, der Rippenwinkel und die Wahl der zu berippenden Wand entscheidend für eine optimale Kühlwirkung sind. Der Einfluss der Rotation kann lokal zu hohen Gradienten in der Wandtemperatur führen. Global ist der Corioliskrafteffekt, verglichen mit dem glatten Modell, moderat.

Alternative Abstract:

Alternative Abstract

Language

In the design of turbine blade cooling system the main objective is to achieve optimum heat transfer while the coolant flow rate is minimized. Complex cooling techniques are essential in obtaining acceptable blade life. Internal turbine cooling systems consist of 180 deg bends, different kinds of rib arrangements to enhance heat transfer and different cross sections. The flow field in real gas turbine blades is very complex due to the presence of the geometrical parameters mentioned but also because of rotation and buoyancy effects. A lot of experimental and numerical investigations have been carried out concerning the influence of rib arrangements and rotation on heat transfer. But there are only a few showing highly resolved heat transfer distributions obtained by a rotating channel with angled ribs. The investigation described in this thesis concentrates on heat/mass transfer measurements in a rotating coolant channel with square cross section, 180 deg bend and different rib arrangements. The data shown were obtained by tests using the naphthalene sublimation technique with Reynolds numbers between 25.000 and 70.000 and Rotation numbers of 0, 0.05, 0.1 and 0.2. The influence of ribs and rotation on local heat/mass transfer on all walls is investigated. The results are shown as highly resolved distributions of local Sherwood number ratios as well as area averaged data and data obtained by averaging over the whole model. They can be compared by means of the analogy between heat and mass transfer with results of experimental and numerical heat transfer investigations. The results shown in this thesis can also be used for the validation of CFD-codes. A main focus is on the local distributions of the Sherwood number ratios between two ribs. Another point is the influence on heat/mass transfer in these kind of channels caused by different inlet boundary conditions concerning the flow field. The effect of rotation leads to locally high heat/mass transfer levels and strong gradients in wall temperature. Therefore, for the design of rib roughened coolant channels the inlet boundary conditions and the rib effect on heat transfer of the ribbed and unribbed walls have to be taken into account. The effect of rotation on the data averaged over the whole model is small.

English

Uncontrolled Keywords:

Rippen

Alternative keywords: