Strömung und Wärmeübergang in komplexen Filmkühlkonfigurationen zur Anwendung in zukünftigen Gasturbinenbrennkammern

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Pfitzner
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 239213895

Kühlkonzepte für zukünftige Gasturbinenbrennkammern müssen mit minimalen Kühlluftmengen bei maximaler Kühlleistung arbeiten, da bei der emissionsarmen Magerverbrennung der größte Teil der Luft im Brennstoffinjektor benötigt wird und gleichzeitig zur Erzielung eines maximalen Gasturbinen-Prozesswirkungsgrads die Heißgastemperaturen immer weiter steigen. Bei Verwendung von Effusionskühlung mit flach geneigten Bohrungen kommt es speziell bei hohen Ausblaseraten, wie sie typisch für Brennkammeranwendungen sind, zu einem Abheben der Kühlluftstrahlen und mit damit einhergehender Reduktion der Kühleffektivität. Neuartige Kühlkonfigurationen wie die Trenchkühlung, wo die Kühlluft aus der Effusionsbohrung durch Aufstau in einer Nut lateral verteilt wird, verringern diesen Effekt und erhöhen die Kühleffektivität für manche Betriebsbedingungen um eine Größenordnung gegenüber der reinen Effusionskühlung. Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist es, experimentell und numerisch ein vertieftes Verständnis der detaillierten Strömungs- und Wärmeübertragungsphänomene in den Kühlfilmen von Effusions-, Trench- und optimierten Trench-Filmkühlungskonfigurationen zu erarbeiten. Der Schwerpunkt soll auf der Aufklärung der komplexen instationären Strömungs-, Mischungs- und Wärmeübergangsvorgänge in den Trenchkonfigurationen liegen, die bisher noch wenig verstanden sind. Mit diesen Erkenntnissen können optimierte Filmkühlkonfigurationen entwickelt werden, die einen gleichmäßigen und im Hinblick auf variierende Betriebsbedingungen robusten Kühlfilm mit minimalem Kühlluftverbrauch erzeugen.Die experimentellen Forschungsarbeiten sollen vorwiegend berührungslose optische Messtechnik verwenden (Particle Image Velocimetry - PIV, Infrarot-Temperaturmessungen, temperatursensitive Farben - TSP), Hitzdraht- und Thermoelementmessungen werden unterstützend eingesetzt. Durch die Verwendung von Hochgeschwindigkeits-PIV können die komplexen instationären Strömungsstrukturen detailliert untersucht werden. Eine neuartige Kombination von Infrarot- und TSP-Messtechnik zur Vermessung von Wandwärmeströmen ermöglicht die Bestimmung der lokalen Verteilung des Wärmeübergangskoeffizienten.Die das Experiment begleitenden CFD-Rechnungen werden mit einem kommerziellen CFD-Verfahren (FLUENT mit realizable k-epsilon-Modell) durchgeführt. Für die detaillierten numerischen Untersuchungen der großskaligen instationären Strömungsstrukturen soll die am Institut bereits etablierte Large-Eddy-Simulation unter Verwendung des quelloffenen CFD-Codes OpenFOAM zum Einsatz kommen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen