The flow and heat transfer within compressor rotor cavities of aero-engines is a conjugate problem. Depending on the operating conditions buoyancy forces, caused by radial temperature difference between the cold throughflow and the hotter shroud, can influence the amount of entrained air significantly. By this, the heat transfer depends on the radial temperature gradient of the cavity walls and in reverse the disk temperatures are dependent on the heat transfer. In this thesis, disk Nusselt numbers are calculated in reference to the air inlet temperature and in comparison to a modeled local air temperature inside the cavity. The local disk heat flux is determined from measured steady-state surface temperatures by solving the inverse heat transfer problem in an iterative procedure. The conduction equation is solved on a 2D mesh, using a validated finite element approach and the heat flux confidence intervals are calculated with a stratified Monte Carlo approach. An estimate for the amount of air entering into the cavity is calculated by a simplified heat balance. In addition to the thermal characterization of the cavity, the mass exchange of the air in the cavity with the axial flow in the annular gap and the swirl distribution of the air in the cavity are also investigated.:1 Einleitung
2 Grundlagen und Literaturübersicht
2.1 Modellsystem der rotierenden Kavitäten mit axialer Durchströmung
2.2 Ergebnisgrößen
2.3 Strömung in rotierenden Kavitäten
2.4 Wärmeübertragung in rotierenden Kavitäten
2.5 Fluidtemperatur in rotierenden Kavitäten
3 Experimenteller Aufbau
4 Messtechnik
4.1 Oberflächen- und Materialtemperaturen
4.2 Lufttemperaturen
4.3 Statischer Druck
4.4 Dreiloch-Drucksonden
5 Datenauswertung
5.1 Kernrotationsverhältnis
5.2 Wärmestromdichte und Nusseltzahl
5.2.1 Finite-Elemente Modell
5.2.2 inverses Wärmeleitungsproblem
5.2.3 Anpassungsmethode
5.2.4 Testfälle zur Validierung
5.2.5 Validierung Testfall 1 und 3 - ideale Kavitätenscheibe
5.2.6 Validierung Testfall 2 - Reproduzierbarkeit
5.2.7 Validierung Testfall 4 - lokales Ereignis
5.2.8 Bestimmung der Wärmestromdichte-Unsicherheit
5.2.9 Anwendung der Anpassungsmethode auf experimentelle Daten
5.2.10 Wahl der Randbedingungsfunktion
5.2.11 Wärmeübergangskoeffizient und Nusselt-Zahl
5.2.12 Zusammenfassung
5.3 Austauschmassenstrom
6 Experimentelle Ergebnisse
6.1 Dichteverteilung in der Kavität
6.2 Massenaustausch Kavität
6.3 Wärmeübertragung in der Kavität
6.3.1 Fallbeispiel
6.3.2 Einfluss der Drehfrequenz
6.3.3 Einfluss des Massenstromes
6.3.4 Einfluss des Auftriebsparameters
6.4 Wärmeübertragung im Ringspalt
6.5 Drall im Ringspalt und der Kavität
7 Zusammenfassung und Ausblick / Die Strömung und Wärmeübertragung in den Verdichterkavitäten von Flugtriebwerken ist ein konjugiertes Problem. Durch die radialen Temperaturunterschiede in der Kavität wird die Menge der in die Kavität strömenden Luft stark beeinflusst. Somit ist die Wärmeübertragung abhängig von den radialen Temperaturgradienten der Scheibenwände und umgekehrt ist die Scheibentemperatur abhängig von der Wärmeübertragung. Die Nusselt-Zahl in diesem System wurde aufgrund der schwierigen Zugänglichkeit in der Historie auf die eine Referenztemperatur vor der Kavität bezogen. Dies ist insofern problematisch, da hierdurch die thermischen Verhältnisse unterschätzt werden können. In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz zu Berechnung der Nusselt-Zahl mithilfe einer modellierten lokalen Lufttemperatur innerhalb der Kavität verwendet. Die lokale Wärmestromdichte auf der Scheibenoberfläche wird mithilfe eines validierten zweidimensionalen rotationssymmetrischen Finite-Element Modells auf der Grundlage von gemessenen Oberflächentemperaturen berechnet. Dies stellt ein inverses Wärmeleitungsproblem dar, welches mithilfe einer Anpassungsmethode gelöst wurde. Die Auswirkung der Messunsicherheit der Temperaturmessung auf die berechnete Wärmestromdichte wird durch eine geschichtete Monte-Carlo-Simulation, nach dem Ansatz der LHC-Methode, untersucht. Neben der thermischen Charakterisierung der Kavität wird zudem der Massenaustausch der Luft in der Kavität mit der axialen Durchströmung im Ringspalt sowie die Drallverteilung der Luft in der Kavität untersucht.:1 Einleitung
2 Grundlagen und Literaturübersicht
2.1 Modellsystem der rotierenden Kavitäten mit axialer Durchströmung
2.2 Ergebnisgrößen
2.3 Strömung in rotierenden Kavitäten
2.4 Wärmeübertragung in rotierenden Kavitäten
2.5 Fluidtemperatur in rotierenden Kavitäten
3 Experimenteller Aufbau
4 Messtechnik
4.1 Oberflächen- und Materialtemperaturen
4.2 Lufttemperaturen
4.3 Statischer Druck
4.4 Dreiloch-Drucksonden
5 Datenauswertung
5.1 Kernrotationsverhältnis
5.2 Wärmestromdichte und Nusseltzahl
5.2.1 Finite-Elemente Modell
5.2.2 inverses Wärmeleitungsproblem
5.2.3 Anpassungsmethode
5.2.4 Testfälle zur Validierung
5.2.5 Validierung Testfall 1 und 3 - ideale Kavitätenscheibe
5.2.6 Validierung Testfall 2 - Reproduzierbarkeit
5.2.7 Validierung Testfall 4 - lokales Ereignis
5.2.8 Bestimmung der Wärmestromdichte-Unsicherheit
5.2.9 Anwendung der Anpassungsmethode auf experimentelle Daten
5.2.10 Wahl der Randbedingungsfunktion
5.2.11 Wärmeübergangskoeffizient und Nusselt-Zahl
5.2.12 Zusammenfassung
5.3 Austauschmassenstrom
6 Experimentelle Ergebnisse
6.1 Dichteverteilung in der Kavität
6.2 Massenaustausch Kavität
6.3 Wärmeübertragung in der Kavität
6.3.1 Fallbeispiel
6.3.2 Einfluss der Drehfrequenz
6.3.3 Einfluss des Massenstromes
6.3.4 Einfluss des Auftriebsparameters
6.4 Wärmeübertragung im Ringspalt
6.5 Drall im Ringspalt und der Kavität
7 Zusammenfassung und Ausblick
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:91037 |
| Date | 23 April 2024 |
| Creators | Diemel, Eric |
| Contributors | Odenbach, Stefan, Böhle, Martin, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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