Numerische Untersuchung von Zyklonkühlungskonfigurationen mit axialen Leitgittern zur Drallerzeugung

Die Zyklonkühlung ist eine vielversprechende Kühlmethode für technische Anwendungen mit thermisch hochbelasteten Komponenten wie den Turbinenschaufeln in den ersten Stufen einer Hochdruckturbine. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Zyklonkühlung für den Einsatz in Turbinenschaufeln numerisch mittels 3D RANS- und DES-Simulationen untersucht. Die Drallströmung im Kühlkanal wird über neu definierte axiale Leitgitter generiert. Der Kühlkanal wird als gerades Rohr modelliert. Neben der konventionellen Konfiguration mit einem einzelnen axialen Leitgitter am Turbinenschaufelfuß wird auch die Anordnung von mehreren in Reihe geschalteten Leitgittern untersucht. In einer Parameterstudie werden der Umlenkungswinkel und das Nabenverhältnis für zwei grundlegend unterschiedliche Leitgittergeometrien variiert. Jeweils ein Aufbau mit einem einzelnen Leitgitter und ein Aufbau mit mehreren Leitgittern wird unter erhöhtem Detaillierungsgrad mithilfe jeweils einer DES-Simulation untersucht. Die Validierung der Strömungssimulationen erfolgt an einem Referenzexperiment aus der Literatur. Der Einfluss der Turbulenzmodellierung auf die Genauigkeit der Simulationsergebnisse wird detailliert untersucht. ... mehrMit den innerhalb dieser Studie vorgestellten Geometrien kann gegenüber der rein axialen turbulenten Rohrströmung eine Erhöhung der Nusseltzahl von 2,5 bis 4,6 erzielt werden. Damit verbunden ist eine Erhöhung des Druckverlusts um einen Faktor von 15 bis 155. Durch die Installation mehrerer Leitgitter im Kühlkanal kann ein deutlich homogenerer Wärmeübergang sowie ein um bis zu 17% reduzierter Druckverlust im Vergleich zu den konventionellen Konfigurationen erreicht werden. Die Kenntnisse aus dieser Arbeit unterstützen zukünftige Auslegungsprozesse von Leitgittern für Zyklonkühlungsapplikationen und tragen zum Verständnis des komplexen Strömungsfeldes im Drallkanal und dessen Simulation bei.