Abschlussbericht zum Forschungsantrag zum FuE-Förderprogramm „Forschung für die Praxis“ 2014

Thema:  Windkanal Göttinger Bauart –Sondermesstechnik /WGB

Vermessung der Strömungseigenschaften des Windkanals Göttinger Bauart und Vorbereitung der Sondermesstechnik zur Forschung

Antragsteller:  Prof. Dr.-Ing. Roland Dückershoff (Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!)

Projektlaufzeit: 01.08.2015 – 31.10.2016

  1. Ausgangsfragen und erwartete Ergebnisse des FuE Projekts

Erstes Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, den 1x1 m² Windkanal Göttinger Bauart für die Forschung vorzubereiten und den Studierenden in der Lehre als Windkanal-Laborprüfstand zur Verfügung zu stellen. So wird der Windkanal parallel zum hier vorgestellten Forschungsprojekt auch im Bereich der Lehre eingesetzt.

Mit der Inbetriebnahme der Hitzdraht-Anemometrie und der Nutzung laseroptischer Messsysteme, PIV (Particle Image Velocimetry) bzw. Laserdoppler, werden moderne und vielseitig einsetzbare Messmethoden des Windkanalversuchs eingeführt und im Rahmen des Forschungsvorhabens erprobt. Diese Messtechniken sollen den Studierenden in der Lehre, d.h. im Rahmen von Projekt-, Bachelor- und Masterarbeiten ebenfalls zugänglich sein.

Im zweiten Teil dieses Forschungsvorhabens wird mit dem Einsatz und der Erprobung der Ammoniak-Diazo-Messtechnik ein modellhaftes und hochauflösendes Sondermessverfahren zur flächigen Untersuchung der adiabaten Filmkühleffektivität eingeführt. Dieses Verfahren wird bisher nur an wenigen Universitäten, wie z.B. der BTU Cottbus-Senftenberg, der TU Darmstadt und dem Cambridge University Engineering Department eingesetzt.

Die Ammoniak-Diazo-Messtechnik zur Bewertung der Qualität der Filmkühlung an thermisch hochbelasteten Bauteilen, wie Turbinenschaufeln und Brennkammern moderner Gasturbinen, wird bei der Untersuchung der Filmkühlung mittels „Converging-Slot Holes“ eingesetzt. Die Untersuchungen zur adiabaten Filmkühleffektivität mittels „Converging-Slot Holes“ in Bereichen verzögerter Hauptströmung sollen helfen, grundlegende Kenntnisse zu gewinnen, sodass verlässliche Daten und Modelle zu Konstruktion und Design solcher Filmkühlbohrungen in realen Turbinenschaufelanwendungen geliefert werden. Begleitet werden diese Untersuchungen von Laser-PIV Messungen, welche Aufschluss über die räumliche Strömung und Kühlfilmbildung in der Scherschicht zwischen Kühllufteinblasung und Heißgas liefern werden. Diese Kenntnisse sind in entsprechenden Veröffentlichungen bekannt zu geben.

  1. Darstellung der erreichten Ergebnisse und Meilensteine unter Berücksichtigung von Problemen und Herausforderungen, die eventuell im Projektverlauf aufgetreten sind

Der 1x1 m² Windkanal Göttinger Bauart ist in Betrieb genommen und für Forschung und Lehre als Windkanal-Laborprüfstand qualifiziert. Bei Strömungsgeschwindigkeiten von 20 m/s – 50 m/s im Kernstrahl der Messtrecke ist der Turbulenzgrad Tu < 0,5%, wobei die Homogenität der Strömung im Querschnitt mit Du/u < 1% ist. Bei der Strömungsgeschwindigkeit 10 m/s ist der Turbulenzgrad ebenfalls noch Tu < 1%, wobei die Homogenität der Strömung auch mit Du/u < 1% ist. Die Strömungsgeschwindigkeitsminima liegen hierbei im Freistrahlmittelpunkt, und wachsen zur Seite hin um Du/u symmetrisch (horizontal wie vertikal) an. Am Freistrahlrand (50 mm von 1000 mm Freistrahlbreite bzw. -höhe) wächst die Turbulenz stark an, während die Geschwindigkeit abfällt. Es bleibt ein nutzbarer Freistrahlquerschnitt von 900 mm x 900 mm. Somit sind die Meilensteine (1) und (2) des Forschungsprojektes erreicht. Die Lasermesstechnik ist am Windkanal in Betrieb genommen, flächige Strömungsfelduntersuchungen sind durchgeführt und valide. Der Meilenstein (3) des Forschungsprojektes ist somit ebenfalls erreicht. Eine Versuchskammer zur Untersuchung der adiabaten Filmkühlung in Gebieten mit verzögerter Hauptströmung ist entwickelt und in der Messstrecke des Windkanals aufgebaut. Ein Versuchsträger mit „Converging-Slot Holes“ ist konstruiert, als Baseline ist ein Versuchsträger mit konventionellen zylindrischen Bohrungen entwickelt. Beide Versuchsträger sind im 3D-Laserdruckverfahren erstellt und in der Versuchskammer des Windkanals strömungstechnisch untersucht. Somit ist der Meilenstein (5) erreicht. Die Messergebnisse, Projektergebnisse und Schlussfolgerungen sind in Projekt- und Abschlussarbeiten dokumentiert, der Abschlussbericht wird hiermit gegeben. Der Meilenstein (7) ist hiermit erreicht.

Untersuchungen der Strömung mittels Laser-PIV bei Kühlluftausblasung mittels „Converging-Slot Holes“ zeigen ein starkes Wandstrahlverhalten der ausgeblasenen Kühlluft. Dies lässt eine stark verbesserte Filmkühleffektivität bei Nutzung dieser Ausblasegeometrie gegenüber den heute gebräuchlichen zylindrischen Kühlluftbohrungen erwarten. Für die Auswertung der adiabaten Filmkühleffektivität mittels Ammoniak-Diazo-Messtechnik ist ein Auswerteprogramm zur Bildverarbeitung und Kalibrierung erstellt. Somit ist es möglich die Versuche zur Bestimmung der adiabaten Filmkühleffektivität mit dem Ammoniak-Diazo-Verfahren flächig hochauflösend und zeitnah zum Versuch auszuwerten. Dokumentiert ist dies in der Masterthesis des wissenschaftlichen Mitarbeiters M. Sc. Lucas Feucht, der mit dieser Abschlussarbeit für den Robert-Paul Kling Preis des VDI-Bezirksvereins Mittelhessen vorgeschlagen wird.

Es gelang im Rahmen des Forschungsprojektes leider nicht, die Ammoniak-Diazo-Anlage zur Messung der adiabaten Filmkühleffektivität im Windkanal wie geplant in Betrieb zu nehmen. Die Auswertesoftware zur Sondermesstechnik mittels Ammoniak-Diazo-Anlage wurde erstellt, das Tracergasverfahren selbst konnte aber noch nicht eingesetzt werden, da Fragen hinsichtlich Be- und Entlüftung der Laborhalle nicht geklärt werden konnten. Die Software zur Sondermesstechnik „Ammoniak-Diazo-Messtechnik mit Online-Kalibrierung“ konnte anhand alter Messergebnisse validiert werden, neue Messergebnisse konnten hierzu im Rahmen des Forschungsprojektes nicht generiert werden.

  1. Perspektiven für die Einwerbung von Drittmitteln bzw. Folgeprojekten

Die Perspektiven zum Einwerben von Drittmitteln sind gegeben bzw. gestiegen, da die Strömungsqualität des Windkanals nun validiert und als gut qualifiziert ist. Es steht am Fachbereich M der THM ein großer Windkanal (1m x 1m) mit entsprechender Messtechnik zur aerodynamischen Forschung und Entwicklung bereit. Themen aus der Gebäude-, Fahrzeug- und Luftfahrtaerodynamik können hier experimentell untersucht werden sowie Themen des konvektiven Wärmeübergangs.

Ein Auswerteprogramm zur Bestimmung der adiabaten Filmkühleffektivität mittels Ammoniak-Diazo-Messtechnik steht zur Verfügung. Gelingt es, die Ammoniak-Diazo-Tracergasanlage am Windkanal in Betrieb zu nehmen, so steht ein flächig hochauflösendes Verfahren zur Bestimmung der adiabaten Filmkühleffektivität bereit.

  1. Darstellung zur Verwertung bzw. Verwertbarkeit der Ergebnisse oder zur Anwendung der Ergebnisse in der Praxis

Die Qualität der Strömung in der Messtrecke des Windkanals ist validiert und der Windkanal kann grundsätzlich zu Modellversuchen der Strömungsmechanik in Lehre und Forschung eingesetzt werden.

Mit der lasertechnischen Untersuchung der Strömungsphänomene bei der Filmkühlung mit „Converging-Slot Holes“ konnten gegenüber den Untersuchungen mit konventionellen zylindrischen Kühlluftbohrungen deutlich Verbesserungspotentiale ermittelt werden, da sich ein intensives Wandstrahlverhalten zeigt. Insofern ist eine effektive und luftsparende Kühlmethode absehbar. Die Empfehlung des Einsatzes dieser Filmkühlkonfiguration zur Kühlung zukünftiger Heißgasturbinen (Fluggas- und stationäre Gasturbinen) ist gegeben und die Weiterentwicklung voranzutreiben.

  1. Geplante Publikationen

Geplant war, Ergebnisse des Projekts zur adiabaten Filmkühleffektivität auf der „12-Europen Turbomachinery Conference / 3-7 April 2017 Stockholm Sveden“ vorzustellen. Ein Abstract "Film cooling by use of console holes in regions with decelerated hot gas main stream" wurde im Sommer 2016 unter der ID number 38 eingereicht (Topic area: 3.8 Heat transfer and blade cooling) und der Beitrag wurde angenommen.

  1. Darstellung der durchgeführten Maßnahmen in der Nachwuchsförderung

Im Forschungsprojekt waren neben dem wissenschaftlichen Mitarbeiter, Herr Feucht (50%; TV-H E; 15 Monate) eine wiss. Hilfskraft (7 Monate für 5 Std. die Woche) und mehrere Studierende eingebunden.

Die Projektmitarbeiter wurden so an moderne Messtechnik (Druck- und Temperatur, Laser- und Hitzdrahtmesstechnik sowie Kalibrierung und Validierung) und Methoden der angewandten Windkanalaerodynamik (Modellentwicklung und Modellumsetzung) herangeführt. Den Studierenden wurde ermöglicht, Messdaten mittels selbst zu erstellender digitaler Datenerfassung und Auswertprogramme aufzuzeichnen, auszuwerten und zu interpretieren.

Dokumentiert ist dies in einer Vielzahl von Projekt- und Abschlussarbeiten. Dies sind zwei Projektarbeiten (*) und zwei Abschlussarbeiten (**) im Bachelor Maschinenbau und drei Projektarbeiten (***) und eine Abschlussarbeit im Master Maschinenbau Mechatronik (****).

(*)             Steffen Naumann: „Messung und Bewertung der Strömungsqualität im Freistrahl des 1x1 m² Windkanals Göttinger Bauart (GWK) der THM“, 2015

            Kevin Braum: „Entwicklung und Konstruktion eines Modells zur Untersuchung der adiabaten Filmkühleffektivität mittels Console Holes“, 2016

(**)      Steffen Naumann: „Entwicklung und Konstruktion einer Messstrecke zur Untersuchung der adiabaten Filmkühleffektivität bei verzögerter Hauptströmung mittels Ammoniak-Diazo-Verfahren und Laser-PIV-System “, 2016

            Kevin Braum: „Konstruktion und Bau eines Kalibrierwindkanals zur Kalibrierung von Strömungsmesssonden“, 2016

(***)     Dominik Krön: „Messung und Bewertung der Strömungsturbulenz im Freistrahl des 1x1 m² Windkanals Göttinger Bauart GWK der THM“, 2016

            Stefan Schmidt: „Inbetriebnahme des Laser-PIV-Systems zur flächigen (2D) Geschwindig-keitsmessung am 1x1 m² Windkanal Göttinger Bauart GWK der THM“, 2016

            Lucas Feucht: „Messung und Bewertung der Strömungsqualität im Freistrahl des 1x1 m² Windkanals Göttinger Bauart (GWK) der THM“, 2016

(****)    Lucas Feucht: „Filmkühlung durch Console Holes in Gebieten mit verzögerter Heißgasströmung“, 2016

Windkanal Göttinger Bauart – Sondermesstechnik - Vermessung der Strömungseigenschaften des Windkanals Göttinger Bauart und Vorbereitung der Sondermesstechnik zur Forschung

HMWK: Forschung für die Praxis (01.08.2015 – 31.10.2016)

Prof. Dr.-Ing. Roland Dückershoff

Schnelle und einfache Vorauslegung von PKW-Strukturen hinsichtlich ihrer Betriebsfestigkeit unter Einbindung neuer Werkstoffe und Fertigungsverfahren

Land Hessen: LOEWE-3 (1.3.2013 - 31.12.2014)
Prof. Dr.-Ing. Udo Jung

Durch die neue Auslegungsmethode BFast können kleine und mittelständische Automobilzulieferer schon in frühen Entwicklungsphasen Aussagen zur Dauerhaltbarkeit ihrer Leichtbaustrukturen treffen.
Das Kompetenzzentrum für Automotive, Mobilität und Materialforschung der Technischen Hochschule Mittelhessen hat in Zusammenarbeit mit Linde und Wiemann aus Dillenburg, dem Ingenieurbüro Huß und Feickert aus Liederbach, Bürckenmeyer aus Stadtallendorf und Opel Automobile aus Rüsselsheim die neue Auslegungsmethode BFast entwickelt. Sie ermöglicht die
schnelle und einfacheVorauslegung von Pkw-Leichtbaustrukturen hinsichtlich der Betriebsfestigkeit.

In der Automobiltechnik hat das Thema Leichtbau heute große Bedeutung. Es gilt bei jeder Gelegenheit, Material, Gewicht und Energie einzusparen, ohne Abstriche bei Funktion, Wirtschaftlichkeit oder der Sicherheit machen zu müssen.Doch der Leichtbau schöpft zwangsläufig alle Reserven aus,wodurch häufig die Grenzen der Belastbarkeit einer Konstruktion erreicht werden. Damit tritt die Forderung nach langfristiger Betriebsfestigkeit in den Vordergrund. Diese stellt sicher, dass ein Pkw eine Lebensdauer von einigen hunderttausend Kilometern ohne Bauteilversagen erreicht.

Last-Zeit-Reihen reduzieren
Um das zu gewährleisten, ist die Lebensdauer-Simulation im Computer eine sehr leistungsstarke Methode. Allerdings ist sie hinsichtlich Zeit und Kosten rechtaufwendig: Zyklische Materialdaten (Wöhlerlinien) für alle eingesetztenWerkstoffe sind ebenso notwendig wie umfangreiche Last-Zeit-Reihen, die die ständig wechselnden Belastungen im Fahrbetrieb beschreiben. Das Forschungsvorhaben an der TH Mittelhessen hat diese komplexen Last-Zeit-Reihen auf wenige statische Ersatzlasten reduziert, die bei häufiger Wiederholung eine vergleichbare Schädigung im Bauteil hervorrufen. Statische Ersatzlasten repräsentieren stark schädigende Fahrmanöver wie eine Vollbremsung, die schnelle Fahrt durch eine enge Kurve oder ein Schlagloch. Statische
Ersatzlasten lassen sich als Momentaufnahme während der Fahrt auffassen, als eine Belastung, die in einem besonderen Moment auf eine Baugruppe des Autos wirkt. Die großen Automobilhersteller messen Last-Zeit-Reihen auf hauseigenen Teststrecken. Für kleine und
mittlere Unternehmen ist dieser Aufwand wirtschaftlich nicht vertretbar. Erwartet wird aber, dass Zulieferfirmen möglichst ausgereifte Leichtbau-Konzepte vorlegen. Für genau diesen Fall stellt BFast eine schnelle, einfache und wirtschaftliche Vorauslege-Methode bereit. Kleine und mittelständische Zulieferer können durch BFast auf Basis einfacher Finite-Elemente-Analysen
schon in frühen Entwicklungsphasen schnell eine Aussage zur Dauerhaltbarkeit ihrer Pkw-Leichtbau-Strukturen treffen. Messfahrten oder Werkstoffversuche im Vorfeld sind hierzu nicht nötig.

Konzeptentwicklung kritischer PKW- Karosseriestrukturen mit Komponenten-Berechnungsmodellen

BMBF: IngenieurNachwuchs (01.10.2008 - 30.09.2011)
Prof. Dr.-Ing. Udo Jung