Heat Transfer in 3D-Vane-Passages - Systematic Generation and Investigation of Contoured Vane-Endwall Geometries for Turbomachines Using the Ice Formation Method
Fluid Mechanics
Final Report Abstract
Das Ziel dieses Projekts war es, die Topologie der Seitenwand einer Turbinenleitschaufel zu optimieren, um damit einen niedrigeren bzw. homogeneren Wärmeeintrag des Heißgases zu erhalten. In realen Turbomaschinenanwendungen könnte somit einerseits die Lebensdauer der Bauteile erhöht und andererseits der benötigte Kühlluftmassenstrom verringert werden, um den thermischen Wirkungsgrad zu steigern. Um dies zu erreichen wurde im experimentellen Teil zunächst die Anwendbarkeit der Eisformationsmethode zur einfachen Erzeugung von konturierten Oberflächen für die Schaufel-Seitenwand-Geometrie untersucht. Bei dieser Methode wird eine unterkühlte Oberfläche einer Wasserströmung ausgesetzt, woraufhin sich eine Eisschicht ausbildet die mit der Strömung interagiert. Im stationären Zustand tauschen Eisschicht und strömendes Wasser ein Minimum an Energie miteinander aus, weshalb dieser Zustand ein natürliches Optimum darstellt. Die Oberflächen wurden mit Hilfe eines Laser-Scanners digitalisiert und der Wärmeübergangskoeffizient anschließend unter Annahme einer eindimensionalen Wärmeleitung innerhalb der Eisschicht ausgewertet. Um die Topologie der Eisschichten zu variieren, wurden Konfigurationen mit kurzer und erweiterter Kühlstrecke und mit Schlitzeinblasung vor der Schaufelpassage untersucht und miteinander verglichen. Im numerischen Teil wurden die so entstandenen, erweiterten Eisschichten als Seitenwand in das numerische Rechengebiet der Schaufelkaskade integriert und Strömungssimulationen mit Luft als Gasturbinenmedium durchgeführt. Das Potenzial der Oberflächen bezüglich des Referenzfalls der flachen, unkonturierten Seitenwand wurde anhand der Wärmeübergangsverteilungen und des Strömungsfelds bewertet. Weiterhin wurden numerische Optimierungen mit dem genetischen Algorithmus NSGA-II durchgeführt, um gezielt wärmeübergangsoptimierte Seitenwände zu generieren. Der Algorithmus erstellt auf Basis von genetischen Mutationen und Rekombinationen neue Oberflächen mit unterschiedlichen Topologieelementen, die anschließend in Strömungssimulationen automatisch berechnet und ausgewertet werden und in der nächsten Iteration als Ausgangsgeometrien für die folgenden Mutationen und Rekombinationen dienen. Der maximale Fehler in der experimentellen Auswertung der Wärmeübergangskoeffizienten bei Annahme einer eindimensionalen Wärmeleitung innerhalb der Eisschicht wurde auf etwa 17% bestimmt. In Regionen mit konvexer Krümmung der Oberfläche wird der approximierte Wert dabei überschätzt und in konkaven Regionen gegenüber einer dreidimensionalen Wärmeleitungsrechnung unterschätzt. Die Erweiterung der kühlbaren Seitenwandfläche erzeugt Eisschichten mit ähnlich ausgeprägten Topologieelementen wie im Fall der kurzen Kühlstrecke. Im Vergleich zeigen die lokalen Wärmeübergangsverhältnisse generell Reduktionen zwischen 3% und 16% gemittelt in der Schaufelpassage. Im Auslaufkanal sind die Wärmeübergangsverteilungen aufgrund der komplexen Wirbelsysteme unregelmäßig und aperiodisch, was einen Vergleich der Experimente erschwert. Bei allen Experimenten mit Einblasung führte das wärmere, eingeblasene Wasser aufgrund der noch nicht abgeschlossenen Mischung mit der Hauptströmung zu einem erheblich höheren Wärmeübergang im Einlaufbereich als im Vergleichsfall ohne Einblasung. In der Schaufelpassage ergeben sich gemittelte Wärmeübergangsverhältnisse zwischen 1,05 und 1,60 und zeigen damit einen deutlichen Einfluss der Einblasung auf die Topologie und den Wärmeübergangskoeffizienten der Eisschicht. Diese Wärmeübergangssteigerung ist natürlich stark abhängig von der gewählten treibenden Temperaturdifferenz. Leider konnte diese nicht messtechnisch bestimmt werden, sodass unklar ist, ob es bei diesen Konfigurationen eine Wärmeübergangsreduktion gibt. Die numerischen Nachrechnungen der eiskonturierten Oberflächen zeigen im Einlaufbereich eine Region mit stark reduziertem Wärmeübergang verglichen mit dem Referenzfall, die sich in einem schmalen Band nahe der Schaufelsaugseite in der Passage fortsetzt. Gleichzeitig erhöht sich speziell im druckseitigen Bereich der Wärmeübergang und führt zu einer gemittelten Erhöhung in der Passage von bis zu 33,6%. Strömungsvisualisierungen zeigten, dass die Eiskonturierung zu einem stärkeren vertikalen Druckgradienten an der Schaufelvorderkante führt, wodurch sich der Hufeisenwirbel und auch der Kanalwirbel intensivieren und so den Wärmeübergang erhöhen. Es wurde daraus geschlossen, dass die Eisformationsmethode den Wärmeübergangskoeffizienten nicht gezielt innerhalb der Schaufelpassage reduzieren kann, da mit ihr ein globales Optimum hinsichtlich Energiedissipation im Gesamtsystem, hier die komplette Versuchsanlage, erreicht wird. Die numerische Optimierung mit Hilfe des genetischen Algorithmus erzeugte eine von den Eiskonturen abweichende Oberfläche mit Erhöhungen an der Schaufelvorderkante und an der Schaufelsaugseite. Dadurch wird das Wirbelsystem abgeschwächt und induziert einen um bis zu 7,1% niedrigeren Wärmeübergang innerhalb der Passage als im Referenzfall.
Publications
- Novel Turbine Endwall Contours for the Reduction of Heat Transfer Generated Using the Ice Formation Method, Proceedings of ASME 2012 International Mechanical Engineering Congress and Exposition, IMECE2012-87430, Houston, Texas, USA, 2012
Kristian Haase, Sven Winkler, Bernhard Weigand und Sven Olaf Neumann
- Wärmeübergang in 3D-Schaufelkanälen – Zwischenbericht über das Vorhaben 1049, Informationstagung Turbomaschinen – Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V., Heft R559, 2012
Haase K., Winkler S., Lutum E. und Weigand B.
- Wärmeübergang in 3D-Schaufelkanälen – Abschlussbericht über das Vorhaben 1049, Informationstagung Turbomaschinen – Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V., Heft R565, 2013
Haase K., Winkler S., Lutum E. und Weigand B.
- Turbine Endwall Contouring For The Reduction of Endwall Heat Transfer Using the Ice Formation Method Along With Computational Fluid Dynamics, Proceedings of ASME Turbo Expo 2014, GT2014-25655, Düsseldorf, Deutschland, 2014
Sven Winkler, Kristian Haase, Bernhard Weigand und Janosch Brucker
(See online at https://dx.doi.org/10.1115/GT2014-25655) - On the Optimization of 3D-flow and heat transfer by using the Ice Formation Method: Vane endwall heat transfer, International Journal of Heat and Mass Transfer, 2015
Sven Winkler, Kristian Haase, Sven Olaf Neumann, Bernhard Weigand und Rostyslav Lyulinetskyy
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.04.045) - Wärmeübergang in 3D-Schaufelkanälen II – Abschlussbericht über das Vorhaben 1135, Informationstagung Turbomaschinen – Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V., Heft R573, 2015
Winkler S., Haase K., Lutum E. und Weigand B.
