In the drive for higher cycle efficiencies in gas turbine engines, turbine blades are seeing an increasingly high heat load. This in turn demands improvements in the internal cooling system and a better understanding of both the level and distribution of the internal heat-transfer. A typical approach to enhance the internal cooling of the turbine blade is by casting angled ‘low blockage’ ribs on the walls of the cooling channels. The objective of the present paper is to determine the detailed Nusselt number distribution in rectangular internal channels with ribs. This knowledge can be used to guide the overall design e.g. to achieve high levels of heat-transfer where required. The effects of rotation as well as the interaction effects of the position and direction of ribs on opposite walls of the cooling channel have been investigated.
Numerical calculations have been carried out using the commercial CFD code Fluent to investigate the local Nusselt number enhancement factor in rectangular ducts of different aspect ratios (0.5, 1 and 2) which have 45° or 90° angled ribs located on two opposite walls. This has been studied for different Rotation number Ro (0–0.45) and with a Reynolds number >30000.
The first series of studies has been carried out with the same experimental setup as by Han [1]. The geometry was slightly changed to avoid the effect of high heat transfer at the entry.
This study identifies important vortical structures, which are dependent on the direction and the position of the ribs. This has a profound effect on the distribution of heat-transfer within the passage. It is shown that the two smooth walls of the duct have different average Nusselt number ratio Nu/NuFD enhancement depending on the rib angle.
In addition, based on numerical investigations, simple correlations have been developed for the rotational influence of the internal Nusselt number distribution. A major finding is that the effect of rotation is dominant for low aspect ratio channels and the local enhancement due to the rib position and angle is more dominant for high aspect ratio channels.
Die Erfindung betrifft ein Turbinenleitrad einer
Gasturbine mit mehreren um den Umfang beabstandet
angeordneten Leitschaufeln. Dabei ist vorgesehen, dass
zwei benachbarte Leitschaufeln jeweils zwischen
der Saugseite der einen Leitschaufel und der
Druckseite der anderen Leitschaufel ausgehend von
der Schaufelhinterkante eine Passage ausbilden,
welche einen konstanten Passagenabschnitt
umfasst, in dem die Passage einen im Wesentlichen
konstanten Passagenquerschnitt aufweist. Der konstante
Passagenabschnitt weist einen Eintrittsbereich
und einen Austrittsbereich auf. Jede Leitschaufel
bildet druckseitig einen hinteren Bereich
aus, der sich ausgehend von der Schaufelhinterkante
angrenzend an den konstanten Passagenabschnitt
bis zum Eintrittsbereich des Passagenabschnitts
erstreckt, und bildet druckseitig einen vorderen
Bereich aus, der sich stromaufwärts des hinteren
Bereichs erstreckt. Es ist vorgesehen, dass
jede Leitschaufel auf der Druckseite eine konvexe
Druckseitenkontur aufweist, die einen Übergang
vom hinteren Bereich der Leitschaufel
zum vorderen Bereich der Leitschaufel herstellt.
Turbine guide wheel
(2015)