Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2495
Main Title: Experimentelle Untersuchungen zur Effizienzsteigerung von Prallkühlkonfigurationen durch dynamische Ringwirbel hoher Amplitude
Translated Title: Experimental Investigations on Efficiency Enhancement of Impingement Cooling Configurations by Means of High-Amplitude Dynamical Ring Vortices
Author(s): Janetzke, Timm
Advisor(s): Nitsche, Wolfgang
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Der effizienten Kühlung thermisch hochbelasteter Turbinenbauteile kommt im modernen Flugtriebwerksbau eine Schlüsselposition im Bezug auf eine Verringerung des leistungsspezifischen Treibstoffverbrauchs zu. Um beispielsweise den thermischen Wirkungsgrad eines Flugantriebes durch Anhebung der Turbineneintrittstemperatur weiter steigern zu können, müssen innovative Kühlmethoden zum Einsatz kommen, die mit minimalem Kühlluftmassenstrom eine ausreichende Kühlung der eingesetzten Bauteile gewährleisten. In der Vergangenheit haben einzelne Forschungsarbeiten gezeigt, dass der konvektive Wärmeübergang von Einzelprallstrahlen prinzipiell durch die Generierung dynamischer Ringwirbel gesteigert werden kann. Während die Studien zu Ringwirbeln niedriger Amplitude eher die Tendenz zu einer moderaten Verringerung der Wärmeabfuhr zeigen, wurden in Einzelfällen mit extrem hoher Amplitude erhebliche Steigerungsraten erzielt. Bisher wurde jedoch kein systematischer Zusammenhang zwischen den Anregeparametern Frequenz und Amplitude auf der einen Seite und den resultierenden dynamischen Strahl- und Wandeffekten sowie dem daran gekoppelten, konvektiven Wärmeübergang auf der anderen Seite entwickelt. Die vorliegende Arbeit beschreibt umfassende experimentelle Untersuchungen zum Einfluss aktiv generierter Ringwirbel variabler Frequenz und Amplitude auf das Strömungsfeld und den resultierenden konvektiven Wärmeübergang von Prallstrahlen. Die quantifizierenden Versuchsreihen wurden zunächst mit einer generischen, aus drei Düsen bestehenden Linienarraykonfiguration an einer isotherm beheizten, ebenen Prallplatte mit Kanalbegrenzung durchgeführt und durch Experimente an einem intern gekühlten Profilmodell mit Flächenarray, gekrümmter Prallfläche und inhomogen verteiltem äußeren Wandwärmestrom im Thermowindkanal des Instituts für Luft- und Raumfahrt der TU-Berlin ergänzt. Die Ergebnisse zeigen, dass bei Verwendung von Wirbelringen erhebliche Steigerungsraten der Kühleffektivität erzielt werden können. Da sich die periodisch generierten Ringwirbel frequenz- und amplitudenabhängig gegenseitig beeinflussen, ist die Kombination beider Anregeparameter entscheidend. Im Maximum wurden an der generischen Konfiguration mit Linienarray Effizienzsteigerungen von über 40% bei einer Amplitude von AMP = 1.34 und einer Strouhalzahl von Sr = 0.84 und am Profilmodell mit Flächenarray von über 30% bei der Kombination AMP = 0.9 und Sr = 0.9 erreicht.
In the construction of modern aircraft engines efficient cooling of thermally highly stressed turbomachinery components holds a key position in respect of a reduction in specific fuel consumption. Further increasing the thermal efficiency of an aircraft engine by raising the turbine inlet temperature, for instance, requires innovative cooling methods that guarantee adequate cooling of the components used with a minimal coolant mass flow. Individual research projects in the past showed that the convective heat transfer of single impinging jets could basically be increased by generating dynamic annular vortices. While investigations into dynamic annular vortices with low amplitudes show a tendency for a more moderate reduction in heat transfer, in individual cases significant rates of increase were achieved with extremely high amplitudes. So far no systematic correlation was deduced between the excitation parameters frequency and amplitude on the one hand and the resulting jet and wall effects as well as the coupled convective heat transfer on the other hand. The thesis in hand describes comprehensive experimental investigations into the influence of actively generated annular vortices of variable frequency and amplitude on the flow field and the resulting convective heat transfer of impinging jets. The quantifying experimental series was initially carried out with a generic linear array configuration consisting of three nozzles at an isothermally heated, level impingement plate with confinement and supplemented by experiments on an internally cooled airfoil model with a 2D jet-array, a curved impingement plate and an inhomogeneously distributed outer wall heat flux in the heated wind tunnel of the Department of Aeronautics and Astronautics of the Berlin Institute of Technology. The results show that the use of annular vortices can achieve remarkable increases in cooling effectiveness. Since the periodically generated annular vortices influence each other, depending on their frequency and amplitude, the combination of both excitation parameters is imperative. The maximum efficiency increases achieved were over 40% on the generic configuration with linear array at an amplitude of AMP = 1.34 and a Strouhal number of Sr = 0.84 and over 30% on the airfoil model with 2D-array with the combination AMP = 0.9 and Sr = 0.9.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-26559
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2792
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2495
Exam Date: 30-Mar-2010
Issue Date: 16-Jun-2010
Date Available: 16-Jun-2010
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Konvektiver Wärmeübergang
Oberflächenuntersuchungen
Pulsierende Prallstrahlen
Ringwirbel
Strömungsfeldanalyse
Convective heat transfer
Flow field analysis
Pulsating jet impingement
Ring vortices
Surface experiments
Usage rights: Terms of German Copyright Law
ISBN: 978-3-86664-784-8
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