M. Göbel, D. Bicat, H.-J. Bauer

Die Zyklonkühlung ist eine vielversprechende Kühlmethode für technische Anwendungen mit thermisch hochbelasteten Komponenten wie den Turbinenschaufeln in den ersten Stufen einer Hochdruckturbine. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Zyklonkühlung für den Einsatz in Turbinenschaufeln numerisch mittels 3D RANS- und DES-Simulationen untersucht. Die Drallströmung im Kühlkanal wird über neu definierte axiale Leitgitter generiert. Der Kühlkanal wird als gerades Rohr modelliert. Neben der konventionellen Konfiguration mit einem einzelnen axialen Leitgitter am Turbinenschaufelfuß wird auch die Anordnung von mehreren in Reihe geschalteten Leitgittern untersucht. In einer Parameterstudie werden der Umlenkungswinkel und das Nabenverhältnis für zwei grundlegend unterschiedliche Leitgittergeometrien variiert. Jeweils ein Aufbau mit einem einzelnen Leitgitter und ein Aufbau mit mehreren Leitgittern wird unter erhöhtem Detaillierungsgrad mithilfe jeweils einer DES-Simulation untersucht. Die Validierung der Strömungssimulationen erfolgt an einem Referenzexperiment aus der Literatur. Der Einfluss der Turbulenzmodellierung auf die Genauigkeit der Simulationsergebnisse wird detailliert untersucht. Mit den innerhalb dieser Studie vorgestellten Geometrien kann gegenüber der rein axialen turbulenten Rohrströmung eine Erhöhung der Nusseltzahl von 2,5 bis 4,6 erzielt werden. Damit verbunden ist eine Erhöhung des Druckverlusts um einen Faktor von 15 bis 155. Durch die Installation mehrerer Leitgitter im Kühlkanal kann ein deutlich homogenerer Wärmeübergang sowie ein um bis zu 17% reduzierter Druckverlust im Vergleich zu den konventionellen Konfigurationen erreicht werden. Die Kenntnisse aus dieser Arbeit unterstützen zukünftige Auslegungsprozesse von Leitgittern für Zyklonkühlungsapplikationen und tragen zum Verständnis des komplexen Strömungsfeldes im Drallkanal und dessen Simulation bei.

Cyclone cooling is a promising cooling method for technical applications with highly thermally stressed components such as the turbine blades in the first stages of a high-pressure turbine. In this work, cyclone cooling for use in turbine blades is investigated numerically using 3D RANS and DES simulations. The swirl flow in the cooling channel is generated using newly defined axial guide vanes. The cooling channel is modeled as a straight tube. In addition to the conventional configuration with a single axial guide vane at the turbine blade root, the arrangement of several guide vanes connected in series is also investigated. In a parameter study, the deflection angle and the hub ratio are varied for two fundamentally different guide vane geometries. One setup with a single guide vane and one setup with multiple guide vanes are investigated at an increased level of detail using a DES simulation. The flow simulations are validated using a reference experiment from the literature. The influence of turbulence modeling on the accuracy of the simulation results is investigated in detail. With the geometries presented in this study, an increase in the Nusselt number of 2.5 to 4.6 can be achieved compared to purely axial turbulent pipe flow. This is associated with an increase in pressure drop by a factor of 15 to 155. By installing multiple guide vanes in the cooling channel, significantly more homogeneous heat transfer and a pressure drop reduction of up to 17% can be achieved compared to conventional configurations. The knowledge gained from this work supports future design processes for guide vanes for cyclone cooling applications and contributes to the understanding of the complex flow field in the swirl channel and its simulation.

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2024, Hamburg

Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn, 2025

Conference Paper

deutsch

21,0 x 29,7 cm, 12 Seiten

urn:nbn:de:101:1-2507021219443.950254810029

10.25967/630545

Detached-Eddy-Simulation, Zyklonkühlung, Drallströmung

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Göbel, M.; Bicat, D.; Bauer, H.-J. (2025): Numerische Untersuchung von Zyklonkühlungskonfigurationen mit axialen Leitgittern zur Drallerzeugung. Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V.. (Text). https://doi.org/10.25967/630545. urn:nbn:de:101:1-2507021219443.950254810029.

02.07.2025