Rotierender Kühlkanal (RKK)

Messgrößen

  • Strömungsgeschwindigkeiten
  • Turbulenz
  • lokale Wandtemperaturen
  • lokale Wärmeübergänge
  • lokale Wanddrücke
  • Gesamtdruckverluste

Anlagenbeschreibung

Anlage zur experimentellen Untersuchung der Strömung und des Wärmeübergangs in rotierenden Kühlkanälen von Gasturbinenschaufeln. Speziell der Einfluß der Rotation auf die Kühlluftströmung und den Wärmeübergang wird untersucht.Durch den Rotationsprüfstand können die in der Realität herrschenden Coriolis-, Zentrifugal- bzw. Auftriebseffekte simuliert werden.

Aufgrund der Rotation ergeben sich in den Kühlkanälen einer Turbinenrotorschaufel geänderte Strömungsverhältnisse der Kühlluft, die über veränderte Geschwindigkeitsgradienten an der Wand und ein verändertes Turbulenzniveau insgesamt auch den Wärmeübergang örtlich stark modifizieren. Zum einen tragen Sekundärwirbel, die durch die Rotation im Innern der Strömung induziert werden, zu dieser Veränderung bei, zum anderen liefert aber auch die Erwärmung der Kühlluft mit örtlichen Dich-te/Temperaturunterschieden und somit örtlich unterschiedlichen Zentrifugalkräften über nach innen gerichtete Auftriebsströmungen in Wandnähe einen weiteren Rotationseinfluß auf die Kühlwirkung. Für die Auslegung eines effizienten Rotorkühlsystems sind daher genaue Kenntnisse der örtlichen Wärmeübergänge in Abhängigkeit der strömungsrelevanten Parameter wie Reynoldszahl, Rotationszahl und Auftriebskennzahl erforderlich.

Die Wände in den Kühlsystemen sind zudem zur Intensivierung des Wärmeaustauschs verrippt. Auch die angebrachten Rippen erzeugen Wirbel, mikroskopisch im Nachlauf hinter einer Rippe und makroskopisch durch Neigung der Rippe in Strömungsrichtung. Dadurch erfährt die wandnahe Grenzschichtströmung eine Ablenkung, die zu rippeninduzierter Wirbelbildung führt, ein Effekt, der gezielt genutzt werden kann, etwa zur stärkeren Kühlung der Schaufelvorderkante.

In serpentinenförmig verlaufenden Kühlkanälen prägen 180° Umlenkungen das Strömungsgeschehen nachhaltig. Die unterschiedlich erzeugten Wirbel interagieren in der Strömung und ergeben insgesamt ein sehr komplexes Strömungsfeld, das aber mit den modernen optischen Messverfahren gut aufgelöst werden kann..

Strömungsfeldmessungen und Druckverlustmessungen dienen dem besseren Verständnis der strömungsphysikalischen Vorgänge in den Kanälen,

Aufgrund der Rotation ergeben sich auch örtlich stark veränderte Wärmeübergänge. Zum einen tragen die rotationsbedingten Sekundärwirbel zu dieser Veränderung bei, zum anderen liefert aber auch die Erwärmung der Kühlluft mit örtlichen Dichte/Temperaturunterschieden und somit örtlich unterschiedlichen Zentrifugalkräften über nach innen gerichtete Auftriebsströmungen in Wandnähe einen weiteren Rotationseinfluß auf die Kühlwirkung. Für die Auslegung eines effizienten Rotorkühlsystems sind daher genaue Kenntnisse der örtlichen Wärmeübergänge in Abhängigkeit der strömungsrelevanten Parameter wie Reynoldszahl, Rotationszahl und Auftriebskennzahl erforderlich.

Die experimentell gewonnenen Daten dienen als Basis für eine rechnergestützte Optimierung mit einem leistungsfähigen Strömungsrechenverfahren. An der Entwicklung eines solchen Verfahrens wird ebenfalls gearbeitet.

Anwendung

Im Rahmen von nationalen und europäischen Forschungsprogrammen werden experimentelle Daten zur Validierung moderner Auslegungsverfahren und zur Optimierung von rotierenden Kühlsystemen bereitgestellt.

Literatur / Referenzen

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  • [22] Elfert, M., Hoevel, H., Jarius, M. (2004): Optimierung von rotierenden Multipass-Kühlsystemen, Teil A: Strömungs- und Druckverlustmessung im rotierenden Modell, Abschlussbericht AG-Turbo II, Verbundvorhaben “GuD-Kraftwerk, 500MW auf einer Welle“, Vorhaben 2.4.4A (2004)
  • [23] Elfert, M., Jarius, M. (2005): Detailed Flow Investigation in a Ribbed Turbine Blade Two-pass Cooling System, 17th International Symposium on Air Breathing Engines (ISOABE), September 4-9, 2005, Munich, Germany
  • [24] M. Elfert, H. Hoevel, „Experimentelle Untersuchungen in rotierenden Kühlsystemen von Turbinenschaufeln“, 10. Statusseminar der AG TURBO, Verbundprojekt CO2-Reduktion durch Effizienz „COOREFF-T", 6. und 7. Dezember 2006, DLR, Köln, Seite 7-1 – 7-11

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