Flow and heat transfer in complex film cooling configurations for application in future gas turbine combustors

• Applicant: Professor Dr. Michael Pfitzner
• Subject Area: Fluid Mechanics ; Hydraulic and Turbo Engines and Piston Engines
• Term: from 2013 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 239213895

• Final Report Year: 2017

Final Report Abstract

Für die Entwicklung neuer Fluggasturbinen müssen effiziente Kühlkonzepte bereit gestellt werden, damit Verbrauchs- und Emissionsziele eingehalten werden können. Bei der Filmkühlung wird, mit Hilfe von angestellten Bohrungen in der Wand, eine kalte Luftschicht zwischen die Wand und der heiÿen Gasströmung gelegt. Filmkühlung ist bereits in aktuellen Modellen eine etablierte Methode für die Kühlung von Brennkammerwänden und Turbinenschaufeln. Dennoch birgt die Technik erhebliches Verbesserungspotential, beispielsweise durch den Einsatz von Graben (Trench) Geometrien. In diesem Projekt wurde eine neu entwickelte, konturierte Trench Geometrie experimentell untersucht. Hierbei wurden in einem geschlossenen thermischen Windkanal optische Messtechniken eingesetzt, um Strömungsfelder, Wärmeübergangskoezienten und adiabate Filmkühleffektivitäten von drei Geometrien zu untersuchen und zu vergleichen. Des Weiteren wurden numerische Untersuchungen mit RANS durchgeführt, um die verwendeten Modelle mit den experimentellen Daten aus dem Windkanal zu verifizieren. Die Messungen zeigen, dass die Kühlleistung von einfachen zylindrischen Bohrungen, über zylindrische Bohrungen mit geradem Trench, bis hin zu zylindrischen Bohrungen mit konturiertem Trench kontinuierlich ansteigt. Dies wird insbesondere bei hohen Impulsverhältnissen deutlich. Aufgrund der gezielten Umleitung der Kühlluft nach Verlassen der Bohrung wird die Tendenz der Filmablösung von der Wand reduziert. Gleichzeitig wird die laterale Verteilung der Kühlluft verbessert. Die konturierte Trench Version wurde entwickelt, um negative Effekte vom geraden Trench zu reduzieren. Hier ist insbesondere das Eindringen von Heißgas in die Grabenstruktur zu erwähnen, was mit der neuen Geometrie verhindert wird. Für die Untersuchung der Geometrien war die Entwicklung von neuen Messtechniken notwendig. Für die Bestimmungen der Nettowärmestromreduzierung aus Wärmeübergangskoeffzient und adiabaten Filmkühleffektivität wurde ein neuartiges optisches Messverfahren entwickelt und anhand eines generischen Testfalls verifiziert. Außerdem wurden erstmalig Kühllmströmungen mit thermographischen PIV Messungen vermessen. Hierfür musste der messtechnische Aufbau den experimentellen Gegebenheiten angepasst werden. Ergebnis waren zeit-aufgelöste, simultane Geschwindigkeits- und Temperaturfelder die beispielsweise im Hinblick auf turbulente Wärmeströme in den Scherschiten ausgewertet werden konnten.

Publications

• (2014). "Density ratio effects on the ow eld emanating from cylindrical eusion and trenched lm cooling holes", In Proceedings of ASME Turbo Expo, GT2014-23143, Düsseldorf, Germany
  Schreivogel, P., Kröss, B., Pfitzner, M.
  
• 2014. "Study of an optimized trench lm cooling conguration using scale adaptive simulation and infrared thermography", In Proceedings of ASME Turbo Expo, GT2014-23144, Düsseldorf, Germany
  Schreivogel, P., Kröss, B., Pfitzner, M.
  
• 2015. "Heat Transfer Measurements Downstream of Trenched Film Cooling Holes Using a Novel Optical Two-Layer Measurement Technique", In Proceedings of ASME Turbo Expo, GT2015-42385, Montréal, Canada
  Schreivogel, P., Pfitzner, M.
  
• 2015. "Optical convective heat transfer measurements using infrared thermography and frequency domain phosphor thermometry", International Journal of Heat and Mass Transfer, 82, pp. 299-308
  Schreivogel, P, Pfitzner, M
  
• 2016. "Experimental and numerical investigation of turbulent mixing in lm cooling applications". In Proceedings of ASME Turbo Expo, GT2017-64650, Charlotte, USA.
  Straußwald, M., Schmid, K., Müller, H., and Pfitzner, M.
  
• 2016. "Heat Transfer Measurements Downstream of Trenched Film Cooling Holes Using a Novel Optical Two-Layer Measurement Technique", Journal of Turbomachinery, 138, p. 031003
  Schreivogel, P., Pfitzner, M.
  
• 2016. "Investigation of Film Cooling Flows using Thermographic Particle Image Velocimetry at a 6 kHz Repetition Rate". In Proceedings of 18th International Symposium on the Application of Laser and Imaging Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon, Portugal
  Abram, C., Schreivogel, P., Fond, B., Strauÿwald, M., Ptzner, M., and Beyrau, F.
  
• 2016. "Simultaneous kHz-rate temperature and velocity eld measurements in the ow emanating from angled and trenched film cooling holes". International Journal of Heat and Mass Transfer, 103, pp. 390-400
  Schreivogel, P., Abram, C., Fond, B., Straußwald, M., Beyrau, F., and Pfitzner, M.