COOL - Effizientere Nutzung der Kühlluft in Turbinen durch Integration bei Auslegung und Optimierung - Abschlussbericht

Abstract

In COOL wurde untersucht inwieweit die laseroptische Methode der gefilterten Reyleigh-Streuung für zeitlich aufgelöste Temperaturmessungen eingesetzt werden kann. Am vielversprechendsten hat sich dabei der Einsatz des FRS-Systems als Punktsensor herausgestellt, welcher sich derzeit bei AT-OTM in der Erprobungsphase befindet. Diese Methode erfordert eine Beschränkung auf eine Punktmessung, um entsprechend starke Signale und damit eine hohe Zeitauflösung (>10Hz) bei hoher Messgenauigkeit (DeltaT<2K) zu generieren. Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie (sowie parallel verlaufenden weiteren Untersuchungen) konnte die Hochgeschwindigkeits-Profil-PIV Messtechnik für die Gewinnung von hochwertigen Validierungsdaten eindeutig qualifiziert werden. Durch die in COOL durchgeführten Recherchen zu den kommerziell verfügbaren Hardwarekomponenten eines High-Speed-PIV-Systems und daraus resultierenden Beschaffungsmaßnahmen steht dem Institut für Antriebstechnik nun ein sehr leistungsstarkes High-Speed-PIV-System zur Verfügung. Weiterhin wurden Turbulenzmodelle aus verschiedenen Modellierungsklassen für den turbulenten Wärmetransport untersucht. Das Spektrum reichte dabei von Prandtlzahlmodellen bis hin zur explizit algebraischen Wärmeflussmodellierung. Es erfolgte eine Implementierung in den TRACE-Code sowie eine Modellkalibration bzw. Modellvalidierung. Es wurden Testfälle unterschiedlicher Komplexität untersucht. Jeder dieser Testfälle stand dabei exemplarisch für Strömungssituationen, die in gekühlten Gasturbinen vorkommen. TRACE wurde um die Fähigkeit erweitert, konjugierten Wärmeübergang bei stationärer Strömung zu simulieren. Vor der Erweiterung konnte in TRACE lediglich eine konstante Wandtemperatur oder ein konstanter Wärmefluss an Festkörperwänden als Randbedingung vorgeschrieben werden. Es wurden experimentelle und numerische Untersuchungen einer generischen Filmkühlungskonfiguration durchgeführt. Während eine große Anzahl an Studien mit dem Fokus auf der adiabaten Filmkühleffektivität verfügbar ist, ist Literatur mit Geschwindigkeit- oder Temperaturfelddaten eher rar. Ziel ist es, hochaufgelöste experimentelle Strömungsfelddaten für die Validierung von TRACE mit Felddaten zu erhalten. COOL erweitert und ergänzt hierbei verfügbare Literaturdaten mit modernster Messtechnik und numerischen Methoden. Die sekundären Strömungsstrukturen des Filmkühlungsproblems waren in der Messung und Simulation gut sichtbar und kohärent. Aufgrund der ähnlichen Ergebnisse und der größeren numerischen Stabilität wird das SST-Modell empfohlen. Basierend auf den Ergebnissen von Vorgängerprojekt HEAT wurde eine Turbinenpassagenendwand konturiert, um die Aerodynamik und den Wärmehaushalt unter Einbeziehung der Kühlmechanismen zu verbessern. Die dreidimensionale Modellierung der Plattform soll eine Verringerung der Sekundärströmungseffekte und zeitgleich eine Verbesserung der Kühlung bewirken. Die Messungen erfolgten mit Infrarotthermografie, die Simulation mit dem Strömungslöser TRACE. Das Ziel Kühlfluid umzuleiten und homogener auf der Passagenendwand zu verteilen wurde erreicht. Die Kühleffektivität konnte um den Faktor 1.23 gesteigert werden. Die Optimierungs- und Auslegungsketten als kohärent und funktional erwiesen. Mit TRACE steht nun ein validierter Strömungslöser für derartige Wärmeübergangsprobleme zur Verfügung.