T. Hummel, J. Kneer, A. Schulz, H.-J. Bauer

Mit einer dreidimensionalen Konturierung der Turbinenseitenwand wird signifikant in das komplexe Strömungsgebiet der Schaufelpassage eingegriffen (Schuepbach et al. [17]) und damit auch der Wärmeübergang maßgeblich beeinflusst (Simon et al. [19]). An filmgekühlten Seitenwänden ist eine zusätzliche Beeinflussung des Kühlfilms zu erwarten. Es liegt daher nahe eine gemeinsame Optimierung der Aerodynamik und des Wärmeübergangs durchzuführen. Am Institut für Thermische Strömungsmaschinen (ITS) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) wurde ein Prüfstand zur Untersuchung des Wärmeübergangs an einer Turbinenseitenwand aufgebaut. Die Oberflächenkontur der Seitenwand wurde hinsichtlich der Reduktion aerodynamischer Verluste und der Sicherstellung einer homogenen Wandtemperaturverteilung optimiert. Die vorliegende Arbeit leistet durch die Implementierung einer komplexen Auswerteroutine für Filmkühluntersuchungen einen Beitrag zur experimentellen Untersuchung einer dreidimensionalen konturierten Turbinenseitenwand. Das angewendete Verfahren zur Bestimmung der Filmkühlungskenngrößen ist das Superpositionsprinzip der Filmkühlung. Hierfür wird der Wärmeübergang an der Oberfläche einer mit Wasser konvektiv gekühlten Messplatte bestimmt. Zur Bestimmung des Wärmeübergangs werden sowohl die Temperaturen als auch die Wärmeströme an der Messplattenoberfläche benötigt. Die Oberflächentemperatur wird mittels Infrarotthermographie räumlich hochaufgelöst gemessen. Mit dieser Randbedingung wird eine FE-Berechnung des Temperaturfeldes im Festkörper durchgeführt und der konvektive Wärmestrom an der Oberfläche bestimmt. Durch Variation der Kühlwassertemperatur können bei Filmkühluntersuchungen der Wärmeübergangskoeffizient mit Filmkühlung und die adiabate Filmkühleffektivität anhand zweier Experimente mit jeweils unterschiedlichen thermischen Randbedingungen an der Wand bestimmt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine unausgereifte Auswerteroutine mit geringer Funktionalität durch eine gezielte Analyse weitreichend optimiert und signifikant im Funktionsumfang erweitert. Es steht nun ein Werkzeug zur Verfügung, um Wärmeübergangsuntersuchungen an dreidimensionalen konturierten Turbinenseitenwänden auszuwerten. An einer exemplarisch durchgeführten und ausgewerteten Messung wird die Funktionsfähigkeit der Auswerteroutine gezeigt. Hierbei liegen die Temperaturen an 1,1 Mio. Punkten auf der Oberfläche mit einer Genauigkeit von 0,5 K vor. Die lokale adiabate Filmkühleffektivität, welche aus diesen Temperaturen und den Wärmeströmen berechnet wurde, steht erstmals für eine lokal gekühlte konturierte Seitenwand in dieser hohen Auflösung zur Verfügung. Anhand der Ergebnisse wird der Einfluss des Sekundärströmungssystems auf den Wärmeübergang an der Turbinenseitenwand diskutiert.

Three-dimensional contouring of the turbine sidewall significantly interferes with the complex flow regime of the blade passage (Schuepbach et al. [17]) and thus also substantially influences heat transfer (Simon et al. [19]). Additional influence on the cooling film is to be expected on film-cooled sidewalls. Therefore, it is logical to perform a combined optimization of aerodynamics and heat transfer. At the Institute for Thermal Turbomachinery (ITS) of the Karlsruhe Institute of Technology (KIT), a test rig was set up to investigate heat transfer at a turbine sidewall. The surface contour of the sidewall was optimized with regard to reducing aerodynamic losses and ensuring a homogeneous wall temperature distribution. This work contributes to the experimental investigation of a three-dimensionally contoured turbine sidewall by implementing a complex evaluation routine for film cooling investigations. The method used to determine the film cooling parameters is the superposition principle of film cooling. For this purpose, the heat transfer at the surface of a water-cooled measuring plate is determined. To determine heat transfer, both the temperatures and heat flows at the surface of the measuring plate are required. The surface temperature is measured with high spatial resolution using infrared thermography. Based on this boundary condition, a finite element (FE) calculation of the temperature field within the solid is performed, and the convective heat flow at the surface is determined. By varying the cooling water temperature, the heat transfer coefficient with film cooling and the adiabatic film cooling efficiency can be determined in film cooling investigations using two experiments with different thermal boundary conditions at the wall. Within the scope of this work, an immature evaluation routine with limited functionality was extensively optimized and significantly expanded through targeted analysis. A tool is now available for evaluating heat transfer investigations on three-dimensional contoured turbine sidewalls. The functionality of the evaluation routine is demonstrated using an exemplary measurement that was performed and evaluated. Here, the temperatures at 1.1 million points on the surface are available with an accuracy of 0.5 K. The local adiabatic film cooling efficiency, calculated from these temperatures and heat flows, is available for the first time at this high resolution for a locally cooled contoured sidewall. Based on these results, the influence of the secondary flow system on heat transfer at the turbine sidewall is discussed.

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2015, Rostock

Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn, 2016

Conference Paper

deutsch

21,0 x 29,7 cm, 12 Seiten

urn:nbn:de:101:1-201601293626

Direkte Lineare Transformation, Filmkühlung, Infrarotthermographie, Konturierung, Superpositionsprinzip, Turbinenseitenwand

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29.01.2016