Grundlegende Untersuchungen zu Stabilität und Struktur der Strömung und der Wärmeübertragung in Zyklonkühlkammern

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Bernhard Weigand
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 193145365

Beim Betrieb von Gasturbinen ist der Treibstoffverbrauch von zentraler Bedeutung, da er sowohl die Betriebskosten maßgeblich beeinflusst, als auch die Umweltbelastungen bestimmt. Dies gilt gleichermaßen für Flugtriebwerke als auch für stationäre Gasturbinen in Kraftwerken. Die erreichbare Leistung und der thermische Wirkungsgrad hängen maßgeblich von der Turbineneintrittstemperatur ab, die durch die Belastbarkeit der Turbinenschaufeln begrenzt wird. Je effektiver diese gekühlt werden, desto höher können Turbineneintrittstemperatur und –druck gewählt werden und desto besser wird der thermische Wirkungsgrad der Gasturbine. Die Kühlung der Turbinenschaufeln erfolgt sowohl durch externe Kühlverfahren wie Filmkühlung als auch durch interne Kühlung mittels Kühlkanälen in der Schaufel. In diesen Kühlkanälen werden je nach Anforderung und Gewichtung zwischen zu erreichender Kühlleistung und akzeptablem Druckverlust unterschiedliche Methoden zur Steigerung des Wandwärmeübergangs verwendet. Einige Beispiele sind hier Rippen, Dimples, Pin Fins oder Wirbelgeneratoren. Ein anderes sehr vielversprechendes Konzept zur Steigerung des Wandwärmeübergangs ist die Zyklonkühlkammer. Hierbei wird Kühlluft mit starkem Drall in den Kühlkanal eingebracht. Selbst bei relativ kleinen Massenströmen sind dadurch hohe Strömungsgeschwindigkeiten in Wandnähe und hohe Turbulenzgrade der Strömung möglich. Es ergibt sich ein sehr hoher Wandwärmeübergang, jedoch ist auch der Druckverlust relativ hoch, wodurch sich diese Kühltechnik für thermisch besonders hoch belastete Bereiche, wie z.B. die Turbinenschaufelvorderkante anbietet. Die technische Anwendung von Zyklonkühlkammern wird dadurch erschwert, dass die Strömung und als Folge davon der Wandwärmeübergang maßgeblich von Stabilitätsphänomenen geprägt wird, die bisher nicht zufriedenstellend verstanden sind. So können relativ kleine Änderungen an der Geometrie den Zustand der Strömung grundsätzlich verändern und die Kühlwirkung der Strömung wesentlich verschlechtern. Als besonders kritisch hat sich hier der Einfluss der Auslassgeometrie aus dem Kühlkanal herausgestellt. In dem beantragten Projekt sollen wichtige Stabilitätsmechanismen in der Strömung und deren Auswirkung auf den konvektiven Wärmeübergang einer Zyklonkühlkammer experimentell, numerisch und im Abgleich mit Stabilitätskriterien aus der Literatur analytisch untersucht werden. Durch diese Untersuchungen soll ein Verständnis für die zugrundeliegenden Stabilitätsmechanismen geschaffen werden. Zudem soll der Einfluss unterschiedlicher Auslassgeometrien untersucht werden, da dieser besonders wichtig für eine spätere technische Anwendung der Zyklonkühlkammern in Kühlkanälen von Turbinenschaufeln ist .

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen