Winter, Nils (2010)
Experimentelle Untersuchung der Zyklonkühlung mithilfe von Stoffübergangsmessungen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die steigenden Anforderungen an Flugtriebwerke führen zu immer höher werdenden Gastemperaturen am Austritt der Brennkammer. Das heiße Gas wird der folgenden Turbine beaufschlagt, wodurch sich hohe Anforderungen an die verwendeten Materialien ergeben. Trotz stetiger Weiterentwicklung der Schaufelwerkstoffe liegt die Gastemperatur weit oberhalb der maximalen Materialtemperatur. Um dennoch einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, werden die Bauteile durch Luft aus dem Verdichter gekühlt. Da die zur Kühlung genutzte Luft nicht mehr vollständig Energie bringend nutzbar ist, ist man bestrebt die Kühlluftmenge soweit als möglich zu reduzieren bzw. den Wärmeübergang zu erhöhen. Als eine neuartige, noch nicht genutzte interne Kühlmethode der Beschaufelung gilt die Zyklonkühlung, bei der die Luft im Kühlkanal mit einem Drall versehen wird. Die Rotorschaufeln der Turbine bilden ein drehendes System. In diesem System wirken auf die Strömung im Inneren bezogen auf den nicht rotierenden Fall zusätzliche Kräfte: die Zentrifugal- und die Corioliskraft. Die Corioliskraft führt bei drallfreien Strömungen zu Sekundärströmungen, die wiederum den Wärmeübergang beeinflussen. Eine wichtige Frage bezügliche der Drallströmung ist, ob diese auch unter rotierenden Bedingungen erhalten bleibt und inwiefern die Rotation einen Einfluss auf den Wärmeübergang hat. Um dies zu ergründen, werden experimentell die Stoffübergänge am Modell eines runden Kühlkanals mit verschiedenen Drehzahlen, Drallstärken und Reynoldszahlen ermittelt. Durch die Ausnutzung der Analogie von Wärme- und Stoffübergang können die gewonnenen Daten prinzipiell vom Stoffsystem in das Heißgassystem übertragen werden. Zur Charakterisierung der Zustände werden die dimensionslosen Kenngrößen Reynoldszahl, Rotationszahl und geometrische Drallzahl genutzt. Die Potenzialanalyse der Zyklonkühlung ergibt, bezogen auf eine drallfreie Rohrströmung unter gleichen Bedingungen, einen Zuwachs des Stoffübergangs im untersuchten Bereich um einen Faktor von mindestens 2.5 bis 3.4. Für eine konstante Drallzahl verhält sich die Abhängigkeit der globalen Sherwoodzahl, d. h. der flächengemittelte Werte des dimensionslosen Stoffübergangs, in erster Näherung linear mit der Reynoldszahl. Für eine konstante Reynoldszahl kann bei steigender geometrischer Drallzahl ebenfalls ein Zuwachs im Stoffübergang festgestellt werden. Die Zuwachsrate nimmt allerdings mit steigender Drallzahl ab. Dennoch kann von einer stetigen Steigerung ausgegangen werden, solange keine Schallgeschwindigkeiten erreicht werden, bei deren Erreichen eine Änderung der Strömungsform möglich ist. Der Einfluss der Rotation auf den globalen Stoffübergang kann als vernachlässigbar im betrachteten Bereich angesehen werden. Lokal treten leichte Ungleichverteilungen auf, die aber für das Kühlpotenzial von untergeordneter Bedeutung sein dürften. Eine Reaktion der des Stoffübergangs bei Änderung des Auslassquerschnittes konnte erst bei starker Verminderung des Querschnittes ausgemacht werden. Wird der Auslass zudem aus der Mittelachse des Rohres herausgelegt, scheint sich die komplette Strömungsform zu ändern, was aber im Detail noch untersucht werden muss. Bei Untersuchungen mit einer anderen Art der Drallerzeugung wurde eine Grenze des Messverfahrens erreicht. Ein Vorschlag zur Erweiterung der Grenze wurde erprobt und scheint brauchbare Resultate zu liefern. Eine abschließende Validierung mit einer anderen Messmethode konnte nicht durchgeführt werden.

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