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TU Berlin

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Aerothermodynamik

Prallkühlung

Problemstellung und Ziel

Die Heißgastemperaturen im Bereich von Brennkammer und Turbine moderner Flugzeugtriebwerke können die Schmelztemperatur der eingesetzten Werkstoffe übersteigen. Um ein Werkstoffversagen zu verhindern, müssen hocheffektive Kühlmethoden eingesetzt werden. Die dazu verwendete Kühlluft wird dem Triebwerksverdichter in Form von Zapfluft entzogen, wodurch das Verdichterdruckverhältnis und in der Folge der thermische Gesamtwirkungsgrad des Antriebes reduziert werden. Neben der Effektivität der eingesetzten Kühlmethode ist daher die Effizienz von großer Bedeutung, d.h. ein möglichst geringer Einsatz von Kühlluftmassenstrom zum Erreichen der Zieltemperatur. Als sehr leistungsfähige konvektive Kühlmethode wird hier in Triebwerken der aktuellen Generation neben anderen Verfahren die Prallkühlung (Impingement Cooling) mit stationärer Kühlluftzufuhr eingesetzt.

Abbildung 1: Kühlschema einer Turbinenleitschaufel [1]
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Der im Projekt verfolgte Ansatz zur Effizienzsteigerung einer Prallkühlkonfiguration basiert auf einer aktiven Anregung der Prallstrahlen und gezielter Ausnutzung instationärer Strömungseffekte. Unter Verwendung verschiedener experimenteller Methoden werden Kühleffektivitäten und Strömungsfelder untersucht. Ziel ist die Steigerung der Kühleffektivität gegenüber einer herkömmlichen stationär ausblasenden Konfiguration und die Identifikation sowie Quantifizierung der dafür ursächlichen Strömungsphänomene.



Methoden
Die Kühlluftzufuhr erfolgt pulsierend unter Variation der Anregeparameter Frequenz und Amplitude. Hierdurch können die Ringwirbelstrukturen im Bereich der Strahlscherschicht kontrolliert und gezielt genutzt werden. Die Untersuchung des instationären Geschwindigkeitsfeldes erfolgt unter Verwendung der 2D Time Resolved Particle Image Velocimetry (TR-PIV) an einer generischen 3-Düsen-Linienanordnung unter Variation der Anregeparameter.

Abbildung 2: Versuchsaufbau für die Strömungsfelduntersuchungen
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Die vergleichenden PIV-Aufnahmen des stationären Referenzfalls und des mit einer Strouhalzahl von Sr = 0.82 und maximaler Anregeamplitude pulsierenden Strahls zeigt die in Amplitude und Größe erheblich verstärkten Ringwirbelsysteme im Scherschichtbereich. Das Auftreffen der Wirbelringe auf der Prallfläche resultiert in massiv erhöhten Übergeschwindigkeiten an der Wand bei gleichzeitig hoher Erneuerungsfrequenz von Geschwindigkeits- und Temperaturgrenzschicht.

Die im Rahmen der Untersuchungen ermittelten Kühleffektivitäten im zentralen Staupunkt des Linienarrays zeigen, dass durch den Einsatz pulsierender Prallstrahlen die Kühleffektivität gegenüber der stationären Vergleichskonfiguration um bis zu 20% gesteigert werden kann.

Abbildung 3: Versuchsaufbau für die thermischen Versuchsreihen zur Bestimmung der Kühleffektivität
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Abbildung 4: Steigerungsraten der Kühleffektivität in Abhängigkeit der Anregeparameter Strouhalzahl und Amplitude
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Das Maximum der Steigerung wird bei einer Anrege-Strouhalzahl von Sr = 0.82 und maximaler Anregeamplitude erreicht, während bei kleineren Strouhalzahlen auch Verringerungen der Kühleffektivität um bis zu 5% auftreten können.

Die Verifikation der an der generischen Versuchsanordnung ermittelten Ergebnisse erfolgt an der realitätsnäheren Konfiguration eines  intern gekühlten NACA 0030-Profils, das in den Thermowindkanal des ILR integriert ist. Unter Anwendung der Infrarotmesstechnik werden die Oberflächentemperaturen eines definierten Oberflächenbereiches ermittelt und anschließend die Kühleffektivitäten bei stationärer und periodisch instationärer Kühlluftzufuhr bestimmt.

Abbildung 5: Versuchsanordnung zur Bestimmung der Kühleffektivität mittles Infrarotthermographie
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Im Gegensatz zur generischen 3-Düsen-Linienanordnung mit ebener Prallfläche wird ein 9-Düsen-Flächenarray mit gekrümmter Prallfläche untersucht. Die Kühleffektivität kann durch den Einsatz des flächigen Thermographie-Messverfahrens ebenfalls flächig bestimmt werden.

Abbildung 6: intern gekühltes NACA 0030 Profil
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Abbildung 7: stationäre Kühleffektivität(x,y) bei Auslegungs-Kühlluftmassenstrom
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Die ermittelten Referenzdaten bei stationärer Kühlluftzufuhr dienen zur Charakterisierung der Kühlkonfiguration und werden im weiteren Projektverlauf durch die Daten bei pulsierender Kühlluftzufuhr ergänzt.

Abbildung 8: stationäre Referenzdaten zur Charakterisierung der Kühlkonfiguration. Flächengemittelte Kühleffektivität in Abhängigkeit vom Kühlluftmassenstrom.
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Literaturangaben:
[1]    Rolls-Royce plc  (1996). The Jet Engine. 5th ed., Derby, England.


Literatur

Publikationen

Ansprechpartner


Prof. Dr.-Ing. W. Nitsche

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