Numerische und Experimentelle Untersuchung der Konvektionskühlung in Industriegasturbinen

Betreuer

Dipl.-Ing. York Mick

Konvektionskühlung

Zielsetzung

Für die Auslegung von Kühlsystemen mit konvektiv gekühlten Schaufeln ist ein detailliertes Verständnis der Mechanismen und Effekte dringend erforderlich. Das grundsätzliche Ziel ist die Realisierung einer möglichst hohen Kühleffektivität bei gleichzeitig minimalen Einbußen an der Performance des Gesamtsystems.

Hierzu finden verschiedene Techniken Verwendung. Die Verwendung von Turbulenz erhöhenden Maßnahmen war eine der ersten Verbesserungen zur Steigerung der Kühleffektivität in Turbinenschaufeln. Die Methoden dienen der Anregung von Sekundärströmungen und der Erhöhung des Turbulenzgrades, um damit die Mischung zu verbessern. In einigen Fällen werden gezielte Wirbelstrukturen in den Kühlkanälen der Schaufeln erzeugt.

Zur Erreichung dieser übergeordneten Ziele beinhaltet das Projekt den Gewinn besseren Verständnisses der Strömungseffekte in den Kühlkanälen, sowie der Wirkung von Turbulenzgeneratoren in Bezug auf den Wärmeübergang und die Strömungsverluste.

Strömungsbild der Schaufel
Strömungsbild der Schaufel

Vorgehensweise

Die Arbeiten befassen sich mit realen Geometrien mit mehreren Kühlpassagen und Umlenkungen. Ein wesentlicher Parameter der Untersuchungen ist die Variation der zur Anwendung kommenden Turbulenzgeneratoren, wie Rippen und „Pin Fins“.

Die verschiedenen Konfigurationen werden sowohl experimentell als auch numerisch analysiert. In einem Wasserkanal wird die Strömung optisch sichtbar gemacht und mit einer Kamera festgehalten. Die Schaufel ist dazu in Plexiglas ausgeführt. In einem zweiten Versuchsaufbau wird das Schaufelmodell mit Luft durchströmt. Hier kann neben den Strömungsgeschwindigkeiten der Wärmeübergang vermessen werden. Die begleitenden CFD-Simulationen gewähren nach Validierung an den Versuchen tiefere Einblicke in die Vorgänge in der Schaufel.

So können im Wechselspiel aus Berechnung und Messung die geometrischen Variationen bewertet werden und schrittweise eine viel versprechende Variante herausgearbeitet werden. Diese wird dann in einem Heißgas-Gitterprüfstand unter realistischen Temperaturen auf Ihre Kühleffektivität hin mit der Basiskonfiguration verglichen.

AG Turbo
MAN Turbo AG

Projektpartner

Das Projekt wird im Rahmen der AG Turbo gefördert und in Kooperation mit der MAN Turbo AG durchgeführt.

Weitere Informationen

    • Eifel, M., Caspary, V., Hönen, H., Jeschke, P.
      „Experimental and Numerical Analysis of Gas Turbine Blades with Different Internal Cooling Geometries”
      In: Proceedings of ASME Turbo Expo 2009: Power for Land, Sea and Air, June 8-12, 2009, Orlando, Florida, USA, GT2009-59474. - ASME, 2009. - S. GT2009-59474
    • Eifel, M., Caspary, V., Hönen, H., Jeschke, P. (2009)
      „Analysis of Internal Cooling Geometry Variations in Gas Turbine Blades”
      Journal of Thermal Science, Vol. 18, No. 4, pp. 289-293