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Experimentelle Untersuchung des Wärmeübergangs und der Filmkühleffektivität einer dreidimensionalen konturierten Seitenwand

Experimentelle Untersuchung des Wärmeübergangs und der Filmkühleffektivität einer dreidimensionalen konturierten Seitenwand
Autor:

Hummel, Tino
Kneer, Johannes
Schulz, Achmed
Bauer, H.-J.

Quelle:

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2015

Mit einer dreidimensionalen Konturierung der Turbinenseitenwand wird signifikant in das komplexe Strö- mungsgebiet der Schaufelpassage eingegriffen (Schuepbach et al. [17]) und damit auch der Wärmeübergang maßgeblich beeinflusst (Simon et al. [19]). An filmgekühlten Seitenwänden ist eine zusätzliche Beeinflussung des Kühlfilms zu erwarten. Es liegt daher nahe eine gemeinsame Optimierung der Aerodynamik und des Wärmeübergangs durchzuführen. Am Institut für Thermische Strömungsmaschinen (ITS) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) wurde ein Prüfstand zur Untersuchung des Wärmeübergangs an einer Turbinenseitenwand aufgebaut. Die Oberflächenkontur der Seitenwand wurde hinsichtlich der Reduktion aerodynamischer Verluste und der Sicherstellung einer homogenen Wandtemperaturverteilung optimiert. Die vorliegende Arbeit leistet durch die Implementierung einer komplexen Auswerteroutine für Filmkühluntersuchungen einen Beitrag zur experimentellen Untersuchung einer dreidimensionalen konturierten Turbinenseitenwand.

Das angewendete Verfahren zur Bestimmung der Filmkühlungskenngrößen ist das Superpositionsprinzip der Filmkühlung. Hierfür wird der Wärmeübergang an der Oberfläche einer mit Wasser konvektiv gekühlten Messplatte bestimmt. Zur Bestimmung des Wärmeübergangs werden sowohl die Temperaturen als auch die Wärmeströme an der Messplattenoberfläche benötigt. Die Oberflächentemperatur wird mittels Infrarotthermographie räumlich hochaufgelöst gemessen. Mit dieser Randbedingung wird eine FE-Berechnung des Temperaturfeldes im Festkörper durchgeführt und der konvektive Wärmestrom an der Oberfläche bestimmt. Durch Variation der Kühlwassertemperatur können bei Filmkühluntersuchungen der Wärmeübergangskoeffizient mit Filmkühlung und die adiabate Filmkühleffektivität anhand zweier Experimente mit jeweils unterschiedlichen thermischen Randbedingungen an der Wand bestimmt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine unausgereifte Auswerteroutine mit geringer Funktionalität durch eine gezielte Analyse weitreichend optimiert und signifikant im Funktionsumfang erweitert. Es steht nun ein Werkzeug zur Verfügung, um Wärmeübergangsuntersuchungen an dreidimensionalen konturierten Turbinenseitenwänden auszuwerten.

An einer exemplarisch durchgeführten und ausgewerteten Messung wird die Funktionsfähigkeit der Auswerteroutine gezeigt. Hierbei liegen die Temperaturen an 1,1 Mio. Punkten auf der Oberfläche mit einer Genauigkeit von 0,5 K vor. Die lokale adiabate Filmkühleffektivität, welche aus diesen Temperaturen und den Wärmeströmen berechnet wurde, steht erstmals für eine lokal gekühlte konturierte Seitenwand in dieser hohen Auflösung zur Verfügung. Anhand der Ergebnisse wird der Einfluss des Sekundärströmungssystems auf den Wärmeübergang an der Turbinenseitenwand diskutiert.