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Filmkühlung transsonischer Turbinen: Infrarotthermographisches Messverfahren zur Charakterisierung des Wärmeübergangs

Filmkühlung transsonischer Turbinen: Infrarotthermographisches Messverfahren zur Charakterisierung des Wärmeübergangs
Autor:

Ochs,M.

Quelle:

Dissertation
LOGOS-Verlag
Forschungsbericht des ITS, Band 47/2011
ISBN 978-3-8325-2838-6

 

Zusammenfassung

Transsonische Strömungen in Turbinen von Flugtriebwerken sind die Folge einer stetigen Steigerung der Leistungsdichte. Damit einher gehen hohe mechanische und thermische Belastungen der Turbinenkomponenten. Die Hochdruckturbine wird dabei Heißgastemperaturen ausgesetzt, die den Schmelzpunkt der eingesetzten metallischen Legierungen bei Weitem übersteigen. Turbinenschaufeln werden daher konvektiv und filmgekühlt, um ein strukturelles Versagen zu verhindern.
Einer konservativen Auslegung der Bauteilkühlung stehen hingegen Einbußen im thermischen Wirkungsgrad gegenüber, die aus dem dafür notwendigen, übermäßigen Kühlluftverbrauch resultieren. Eine Annäherung an die gewünschte Materialtemperatur ist also wünschenswert, aber nur durch das Herabsetzen der Sicherheitsfaktoren zu erreichen. Hierzu müssen allerdings nicht nur die thermischen Randbedingungen an der Schaufelinnenseite genauer bekannt sein, sondern insbesondere die adiabate Wandtemperatur sowie der Wärmeübergangskoeffizient auf der film gekühlten Schaufelaußenseite. Einflüsse wie beispielsweise die Freistromturbulenz, heiß- und kühlluftseitige Querströmungen oder die Oberflächenkrümmung wurden daher in einer Vielzahl experimenteller Studien quantifiziert. So können Auslegungsingenieure heutzutage auf eine breite Datenbasis zurückgreifen und für Unterschallströmungen bereits Vorhersagen treffen. Die Auswirkungen von Überschallphänomenen auf die Filmkühlung transsonischer Turbinen waren hingegen bislang nur unzureichend bekannt. Weder das Durchflussverhalten bei supersonischer Freiströmung noch der Einfluss von Verdichtungsstößen auf das Filmkühlverhalten sind hinreichend quantifiziert. Messungen und numerische Simulationen in Turbinen und Kaskaden deuten darauf hin, dass der Drucksprung über den Verdichtungsstoß die wandnahe Strömung stört und dadurch den lokalen Wärmeübergang beeinflusst. Experimentelle Ergebnisse weisen jedoch größtenteils räumlich geringe Auflösungen auf, bei denen eine Charakterisierung der Stoß-Kühlfilminteraktion nur begrenzt möglich ist.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es deshalb, diese Lücke durch eine Reihe von experimentellen Untersuchungen zu schließen. Das Hauptaugenmerk lag auf der Interaktion eines schrägen Verdichtungsstoßes mit einem Kühlfilm, wie es auf der Saugseite einer transsonisch umströmten Gasturbinenschaufel auftritt. Hierzu wurde ein generischer Versuchsaufbau unter dem Gesichtspunkt entwickelt, leistungsstarke und hochauflösende optische Messtechniken einsetzen zu können, welche detaillierte Einblicke in die Aerodynamik und das Wärmeübergangsverhalten erlauben. Der daraus resultierenden Forderung nach einer guten optischen Zugänglichkeit wurde durch ein neues Konzept Rechnung getragen, bei welchem die Präsenz von wellenreflektierenden Glasoberflächen berücksichtigt wurde. Dem supersonischen Kanalbereich kam dabei eine besondere Bedeutung zu. Er wurde mit dem reibungsfreien Charakteristikenverfahren entworfen und mit Hilfe eines numerischen CFD-Codes unter Viskositätseinfluss simuliert. Wandkonturen wurden so ausgelegt, dass sich trotz eines begrenzten Luftmassenstroms eine turbinenrealistische supersonische saugseitige Machzahlverteilung einstellt. Mit einer Machzahl von 1.45 vor und 1.15 nach der Reflexion des schrägen Verdichtungsstoßes wurde eine Konfiguration gewählt, die im Vergleich zu realen Turbinenströmungen eine sehr hohe Stoßstärke aufweist und damit einen Extremfall darstellt.