Influence of temperature distributions on modern engine centre frames optimization

In the course of current efforts to reduce the pollutant emissions of modern turbojet engines, especially the greenhouse gas CO2, and to meet the new limits set by the so-called ACARE targets, attempts are being made to drastically reduce weight in order to reduce fuel consumption. This can be achieved by making engines lighter, i.e. essentially shorter, by reducing the axial blade spacing. This also means shorter and lighter casing parts. Due to this development, areas with extremely high temperatures (so-called hot streaks), such as those typical for the combustion chamber outlet, have less time to mix. It is therefore to be expected that the typical non-uniform temperature distribution from the combustion chamber (Overall Temperature Distribution Factor OTDF of typically 25%) can have a greater effect on components further downstream, such as the blades of the turbine center frame (TCF) directly adjacent to the high-pressure turbine, and on the flow through these components themselves. Since attempts are also being made to save weight with TCF by using increasingly "aggressive" designs, it is of great interest to investigate the influence of these so-called hot streaks on the flow, which is already at risk of separation. Efforts are also being made to reduce the cooling air requirement and to further increase the pressure and temperature level at the combustion chamber outlet in order to be able to further increase efficiency. With a constant OTDF, the maximum streak temperature also increases. The interaction between these hot streaks and the components can lead to a reduction in the service life or to the total failure of the hot gas-carrying parts. For safety, environmental and economic reasons, it is therefore essential to quantify this interaction and its risks in order to be able to take them into account in the design process. In this project, a sector ring grid cascade is being constructed in which the influence of hot streaks on the aerodynamics and heat transfer (determining the component service life and cooling air requirement) on the TCF blade and the side walls is being experimentally investigated. The flow field, known from measurements, is to be simulated as an experimental inlet boundary condition. The investigation is carried out at various radial and azimuthal positions of these hot streaks in relation to the TCF leading edge. The investigation of this real effect under engine-relevant conditions sets this project apart from the state of the art, with the experiments being supported by numerical simulations.

[Original text]
"Influence of temperature distributions on modern engine centre frames optimization"
Im Zuge derzeitiger Bemühungen, die Schadstoffemissionen von modernen Turboluftstrahltriebwerken, allen voran das Treibhausgas CO2, zu verringern und die neuen Grenzwerte - durch die s.g. ACARE Ziele vorgegeben - zu erreichen, wird versucht, drastisch Gewicht einzusparen um damit den Treibstoffverbrauch zu verringern. Dies gelingt durch leichtere, d.h. im wesentlichen kürzere Triebwerke, durch Verringerung des axialen Schaufelabstandes. In weiterer Folge bedeutet dies auch kürzere und leichtere Gehäuseteile. Aufgrund dieser Entwicklung haben Bereiche mit extrem hohen Temperaturen (s.g. heiße Strähnen), wie sie typisch sind für den Brennkammeraustritt, weniger Zeit sich auszumischen. Deshalb ist zu erwarten, daß auch die typische ungleichförmige Temperaturverteilung aus der Brennkammer (Overall Temperature Distribution Factor OTDF von typischerweise 25%) sich stärker auf weiter stromabwärtsliegende Bauteile wie die direkt an die Hochdruckturbine angrenzenden Schaufeln des Turbinenzwischengehäuses (engl. "turbine centre frame" TCF) und auf die Strömung durch eben diese Bauteile selbst auswirken kann. Da auch beim TCF versucht wird, Gewicht durch immer "aggressivere" Ausführungen einzusparen, ist es von großem Interesse, den Einfluß von diesen s.g. heißen Strähnen auf die ohnedies schon ablösegefährdete Strömung zu untersuchen. Außerdem ist man bestrebt, den Kühlluftbedarf zu reduzieren und das Druck- und Temperaturniveau am Brennkammeraustritt weiter anzuheben, um den Wirkungsgrad weiter steigern zu können. Bei einem gleichbleibenden OTDF steigt somit auch die maximale Strähnentemperatur an. Die Wechselwirkung zwischen diesen heißen Strähnen und den Bauteilen kann zur Reduktion der Lebensdauer bzw. zum Totalausfall der heißgasführenden Teile führen. Daher ist es aus Sicherheits-, Umwelt- und Wirtschaftlichkeitsgründen unumgänglich, diese Wechselwirkung und deren Risiken zu quantifizieren, um sie schon im Auslegungsprozess entsprechend berücksichtigen zu können. In diesem Projekt wird eine Sektor-Ringgitterkaskade aufgebaut, in der der Einfluss von heißen Strähnen auf die Aerodynamik und den Wärmeübergang (bestimmend für die Bauteillebensdauer bzw. Kühlluftbedarf) an der TCF Schaufel und den Seitenwänden experimentell untersucht wird. Als experimentelle Eintrittsrandbedingung soll das Strömungsfeld, bekannt aus Messungen, nachgebildet werden. Die Untersuchung erfolgt bei verschiedenen radialen und azimutalen Positionen dieser heißen Strähnen in Bezug auf die TCF Vorderkante. Die Untersuchung dieses realen Effektes unter triebwerksrelevanten Bedingungen hebt dieses Vorhaben deutlich vom Stand der Technik ab, wobei die Experimente durch numerische Simulationen unterstützt werden.