Dr.-Ing. Bernhard Kröss


Dr.-Ing. Bernhard Kröss
Wissenschaftlicher Mitarbeiter


 


Gebäude 35/Raum 2105

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eMail: bernhard.kroess@unibw.de


 


Untersuchungen zur Filmkühlung in Gasturbinenbrennkammern

Allgemeines

Das Entwicklungspotential zur Steigerung des Wirkungsgrades von Gasturbinen ist nahezu ausgeschöpft. Eine wesentliche Erhöhung des Wirkungsgrades ist nur noch durch eine Erhöhung des Druckverhältnisses und der Eintrittstemperatur in die Turbine möglich. Durch die höheren Temperaturen steigen allerdings auch die Anforderungen an die Werkstoffe und an die Kühlung der Komponenten innerhalb einer Gasturbine. Um die geforderte Sicherheit und Lebensdauer von Gasturbinen zu erreichen, müssen detaillierte Kenntnisse der Kühlsysteme vorhanden sein.

Ziel der Arbeit

Durch numerische und experimentelle Untersuchungen soll die Filmkühlung von Brennkammerwänden optimiert werden. Zu diesem Zweck werden Untersuchungen bei realitätsnahen Dichteverhältnissen in einem geschlossenen thermischen Windkanal durchgeführt.
 

Betreute Vorlesungen

Bachelorstudiengang: "Grundlagen der Wärmeübertragung" (2007, 2008, 2009, 2010)
 
Masterstudiengang: "Wärme- und Stofftransport" (2009, 2010, 2011)
 


Veröffentlichungen 

Carpintero-Rogero E., Kröss B., Sattelmayer T.: "Simultaneous HS-PIV and shadowgraph measurements of gas-liquid flows in a horizontal pipe", 13th Int. Sympon Appl. Laser Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon, Portugal, June 26–29, 2006

Kröss B., Pfitzner M.: "Numerische und experimentelle Untersuchungen zur adiabaten Filmkühleffektivität hinter innovativen Filmkühlgeometrien", WSÜ-Kolloquium, Hamburg, 8.3.-10.3.2010

Kröss B., Pfitzner M.: "Numerical and Experimental Investigation of the Film Cooling Effectiveness in a Novel Trench Configuration", ASME-ATI-UIT, 16–19 May, 2010, Sorrento, Italy

Kröss B.: "Filmkühluntersuchungen an Trenchkonfigurationen bei hohen Ausblaseraten", Dissertation, Universität der Bundeswehr München, Institut für Thermodynamik, 2011

Kröss B., Pfitzner M.: „Numerical and experimental investigation of the film cooling effectiveness and temperature fields behind a novel trench configuration at high blowing ratio", ASME paper GT2012-68125, ASME Turbo Expo, June 11-15, 2012, Copenhagen, Denmark

 


 

Zusammenfassung der Dissertation:

Aufgrund der hohen Gastemperaturen in Fluggasturbinen ist eine aktive Kühlung thermisch hoch belasteter Bauteile erforderlich. Eine dieser aktiven Kühlmethoden ist die Filmkühlung, bei der Verdichterluft als Kühlluft durch Bohrungen an die heißgasseitige Oberfläche geführt und ausgeblasen wird. Die ausgeblasene Kühlluft soll einen geschlossen Kühlfilm bilden, der als Wärmesenke und als isolierender Schutzfilm dient. In Brennkammern moderner Triebwerke wird der Großteil der Verdichterluft für die Verbrennung und Verbrennungssteuerung benötigt, weshalb die Kühlung mit geringen Kühlluftmengen auskommen muss. Kern der Arbeit sind experimentelle und numerische Untersuchungen zur Filmkühlung. Die betrachteten Filmkühlgeometrien bestehen aus zylindrischen Bohrungen sowie aus zylindrischen Bohrungen deren heißgasseitigen Austritte in einer durchgängigen Quernut (Trench) liegen. Zusätzlich wird der Einfluss von Tetraedern stromauf der Quernut untersucht. Durch die Tetraeder soll die ankommende Grenzschicht beeinflusst und die laterale Verteilung der Kühlluft verbessert werden. Die Untersuchungen wurden bei hohen Ausblaseraten bis zu M = 4 und bei unterschiedlichen Dichteverhältnissen durchgeführt. Zur Beurteilung des Kühlluftverhaltens wurden Geschwindigkeitsfelder sowie Oberflächentemperaturverteilungen und Temperaturfelder in der Strömung stromab der Ausblasestelle gemessen. Die Geschwindigkeitsfelder wurden mittels PIV in mehreren Ebenen in Strömungsrichtung gemessen. Die Temperaturverteilung der Oberfläche wurde mit einer Thermographiekamera bestimmt. Unter Berücksichtigung der Wärmeleitung und der Wärmestrahlung wurde daraus die adiabate Filmkühleffektivität berechnet. Die Temperaturfelder wurden im Nachlauf der Ausblasestelle in einer Ebene in Strömungsrichtung sowie in mehreren Ebenen quer zur Strömungsrichtung mit einem traversierbaren Kaltdraht ermittelt. Diese Daten liefern ergänzend zu den Geschwindigkeitsfeldern Informationen zur Kühlluftverteilung und Strahlvermischung. Die numerischen Untersuchungen wurden mit einem kommerziellen CFD Programm unter Verwendung der RANS-Gleichungen durchgeführt. Die Daten der CFD dienen als Hilfestellung bei der Auswertung und Interpretation der Messdaten. Die Ergebnisse für die reine zylindrische Bohrung zeigen, dass der Kühlluftstrahl bei Steigerung der Ausblaserate deutlich von der Wand abhebt und massiv von Heißgas umströmt wird. Das führt zu einem starken Abfall der Kühleffektivität. Ein geschlossener Kühlfilm ist aufgrund der schlechten Querverteilung erst nach langen Lauflängen erreicht. Im Gegensatz dazu kommt es bei der Trenchausblasung zu einem deutlich steileren und breiter verteilten Kühlluftaustritt. Die Kühlluft breitet sich im Trench in lateraler Richtung aus, wodurch von Beginn an ein geschlossener Kühlfilm entsteht. Auch bei der höchsten untersuchten Ausblaserate ist im Nachlauf der Ausblasestelle kein massives Umströmen des Kühlluftstrahls mit Heißgas erkennbar. Im Gegensatz zur reinen Bohrungsgeometrie kommt es bei einer Steigerung der Ausblaserate zu einem kontinuierlichen Anstieg der flächig gemittelten Kühleffektivität. Auch die lateral gemittelte Kühleffektivität der reinen Bohrungsgeometrie wird bei der Trenchausblasung deutlich übertroffen. Der Einsatz von stromauf des Trenchs liegenden Tetraedern führt zu einem ähnlichen Kühlluftverhalten wie der reine Trenchfall. Die ankommende Grenzschicht wird durch die Tetraeder abgelenkt, wodurch sich die laterale Verteilung der Kühlluft im Trench verbessert und ein gleichmäßigerer Kühlluftaustritt erreicht wird. Zusätzlich strömt weniger Heißgas in den Trench, weshalb sich dort die Heißgas-Kühlluft-Vermischung reduziert und die Kühllufttemperatur beim Verlassen des Trenchs niedriger ist. Durch die Untersuchungen zum Einfluss des Dichteverhältnisses wird bei allen betrachteten Konfigurationen deutlich, dass die Ausblaserate allein kein geeigneter Parameter ist, um das Kühlluftverhalten zu charakterisieren.

Link zur Dissertation

Messstrecke

CAD_Schema der Messstrecke

Messung von T-Profilen