Einfluss der lokalen Luftentnahme bei Filmkühlung auf Strömungsfeld und Wärmeübergang in Kühlkanälen bei unterschiedlicher Rippengeometrie und -position

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Konrad Vogeler
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 255351625

Die übergeordnete Zielstellung des beantragten Vorhabens ist die Erweiterung des Verständnisses der Strömung in Multipass-Kühlsystemen und deren Beeinflussung. Im Rahmen einer systematischen Untersuchung soll der Einfluss der Positionierung der Filmkühlbohrungen innerhalb der berippten Kühlkanäle für verschiedene Rippenformen untersucht werden. Die daraus abzuleitenden Erkenntnisse werden eine Verbesserung des internen Wärmeübergangs und somit der Schaufelkühlung ermöglichen. Vorangegangene Arbeiten am Lehrstuhl zeigen den Einfluss der Kühlluftentnahme bei verschiedenen Lochpositionen auf den internen Wärmeübergang. Bei einer maschinentypischeren Konfiguration, wo mehrere Rippensegmente mit Kühlbohrungen bestückt sind, wird erwartet, dass sich die Einzelloch-Effekte gegenseitig beeinflussen und möglicherweise verstärken. Weiterhin wird in realen Turbinenschaufeln eine Schrägstellung der Rippen vorgenommen, die eine Ausbildung einer Sekundärströmung im Kanal zur Folge hat. Durch die damit einhergehende höhere Turbulenz und stärker wirbelbehaftete Strömung steigt der Wärmeübergang im Vergleich zu geraden Rippen lokal signifikant an. Daher stellt sich innerhalb dieses Antrags die Frage, ob durch gezielte Positionierung der Kühlluftbohrungen in axialer wie auch lateraler Richtung eine positive Beeinflussung der Sekundärströmung und damit des Wärmeübergangs erreicht werden kann. Dabei soll die Untersuchung des erfolgreichen Konzeptes der Bohrungspositionierung auch auf schräge bzw. gepfeilte Rippen erweitert werden.Die wesentlichen zu untersuchenden Fragestellungen sind somit wie die Position der Kühlluftbohrung die von Sekundärströmungen geprägten Strömungsverhältnisse im Rippensegment beeinflusst und wie sich diese Veränderungen auf den Wärmeübergang auswirken. Diese Fragen sollen unter Berücksichtigung der Interaktion aufeinanderfolgender Rippensegmente betrachtet werden. Die Ergebnisse der hier vorgeschlagenen Arbeit sollen ein verbessertes physikalisches Verständnis der Interaktion von Rippenumströmung und Filmlochabsaugung im Kühlkanal liefern. Wenn sich die Erwartungen erfüllen, können die aus den Untersuchungen ableitbaren Erkenntnisse langfristig in die Gestaltungsrichtlinien für zukünftige Turbinenkühlsysteme mit einfließen. Damit kann die zur Verfügung stehende Kühlluft besser ausgenutzt und eine Verbesserung des Kühlsystems erreicht werden. Dies führt zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades und der Lebensdauer der Turbine. Für das Gesamtsystem resultieren diese Auswirkungen in einem geringeren Brennstoffverbrauch und damit in verringerten Schadstoffemissionen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen