Kühlung additiv gefertigter Turbinenschaufeln
Kühlung additiv gefertigter Turbinenschaufeln
Einfluss von Rauheit und verringerten Dimensionen der Turbulatoren auf den Wärmeübergang in Innenkühlkanälen
| Projektleiter: | Prof. Dr.-Ing. habil. Ronald Mailach |
| Bearbeiter: | Dipl.-Ing. Andreas Türke |
| Finanzierung: | DFG |
| Laufzeit: | 05/2023 - 04/2026 |
| Förderkennzeichen: | MA 4922/12-1 |
Mit der wachsenden Verfügbarkeit und Anwendung von additiven Fertigungsverfahren ergeben sich neue Gestaltungsmöglichkeiten und erweiterte Parameterräume für die Kühlluftsysteme von thermisch hochbelastete Gasturbinenschaufeln. Die Erkenntnisse aus den experimentellen und numerischen Untersuchungen sollen in die Gestaltungsrichtlinien für zukünftige Turbinenkühlsysteme mit einfließen. Mit Hilfe eines Modellversuchsstandes für eine einzelne Kühlluftpassage mit Turbulatoren soll durch die systematische Variation von Gestaltungsparametern im durch additive Fertigung zugänglichen Parameterbereich der Einfluss auf Wärmeübergang, Strömungsfeld und thermale Leistungsfähigkeit erforscht werden.
a) Schematische Darstellungen des berippten Innenkühlkanals und b) perspektivische Darstellung
Ein wichtiger Aspekt neben der Gestaltung von Turbulatoren ist die höhere Oberflächenrauheit additiv gefertigter Schaufeln. Diese kann durch Variation von Prozessparametern gezielt beeinflusst werden und prinzipiell einen besseren Wärmeübergang sowie auch höhere Druckverluste verursachen. Aus den Untersuchungen sollen einerseits Korrelationen für Wärmeübergang und thermische Leistungsfähigkeit von rauen Kanälen und Rippen mit kleinem Teilungs- und Blockageverhältnis abgeleitet, andererseits Erkenntnisse über die Auswirkung der Kühlluftentnahme auf diese gewonnen werden. Die Versuche liefern außerdem wichtige Anhaltspunkte für die Bedeutung der Fertigungsparameter auf den Wärmeübergang in additiv gefertigten Innenkühlgeometrien.
Verteilung des Wärmeübergangskoeffizienten h bei a) glattem Kanal, b) Kanal mit Rippen und c) rauem Kanal
Neben experimentellen Untersuchungen sind numerische Simulationen für die Auslegung von Kühlsystemen von entscheidender Bedeutung. Bei der Bestimmung des Wärmeübergangs treten bei Lösung der Reynolds-gemittelten Navier-Stokes Gleichungen (RANS) jedoch erheblich größere Abweichungen vom Experiment auf als mit Large Eddy Simulationen (LES). Allerdings ist LES aufgrund des deutlich erhöhten Rechenaufwandes für Vergleiche zahlreicher Varianten und automatischer Optimierungen immer noch zu aufwendig. Durch den Vergleich von RANS- und LES-Resultaten sollen die Stärken und Schwächen der RANS-Modelle aufgezeigt und Verbesserungspotenziale daraus abgeleitet werden.