Filmkühlung hochbeanspruchter Turbinenschaufelhinterkanten: Wärmeübergang und Strömung im Nahfeld praxisbezogener Ausblasespalte

Forschungsberichte aus dem Institut für Thermische Strömungsmaschinen, Bd. 41/2008

Patrick Martini

ISBN 978-3-8325-2000-7
206 Seiten, Erscheinungsjahr: 2008
Preis: 38.50 €
Filmkühlung hochbeanspruchter Turbinenschaufelhinterkanten: Wärmeübergang und Strömung im Nahfeld praxisbezogener Ausblasespalte

Durch das von der CO2-Problematik sowie steigenden Rohölpreisen getriebene Bestreben nach einer weiteren Erhöhung von Wirkungsgrad und Nutzleistung wird der Trend zu noch höheren Turbineneintrittstemperaturen auch in Zukunft die Entwicklung auf dem Gebiet der stationären Gasturbinenanlagen und Flugtriebwerke prägen. Bereits heute werden am Turbineneintritt Heißgastemperaturen von bis zu 2000K erreicht. Da dies weit über den maximalen Einsatztemperaturen gängiger Hochtemperaturwerkstoffe liegt, ist eine intensive Kühlung der heißgasführenden Komponenten in der Gasturbine unabdingbar.

Moderne Gasturbinen haben einen erheblichen Kühlluftbedarf. Da die Kühlluft nicht am Energieumsatz in der Brennkammer teilnimmt ist der Kühllufteinsatz stets mit unerwünschten Leistungs- und Wirkungsgradeinbußen verbunden. Hauptziel der Kühlungsentwicklung ist es folglich den Kühlluftbedarf durch konsequente Weiterentwicklung der Kühlverfahren auf ein Minimum zu reduzieren.

Die adäquate Kühlung der empfindlichen Turbinenschaufelhinterkanten erweist sich als besonders anspruchsvoll. Aus aerodynamischer Sicht sind die Hinterkanten der Leit- und Laufschaufeln möglichst dünn auszuführen. Die damit einhergehenden Bauraumbeschränkungen erschweren die Integration des Kühldesigns, so dass die Wärmeabfuhr aus diesem, für die Lebensdauer der Schaufel kritischen Bereich eine große Herausforderung darstellt.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Analyse fortschrittlicher Konzepte zur Filmkühlung der Turbinenschaufelhinterkante. Anhand detaillierter experimenteller Untersuchungen für eine Reihe praxisbezogener Ausblasespalte zur Filmkühlung der Schaufelhinterkante wird der Frage nachgegangen, welche Auswirkungen nahe am Kühlluftaustritt positionierte Turbulatorfelder auf das Strömungsgeschehen und den Wärmeübergang entlang der filmgekühlten Versatzfläche besitzen. Besonderes Augenmerk wird dabei auf die Ausbildung periodisch instationärer Strömungszustände gelegt und ihr Einfluss auf die lokale Filmkühlwirkung quantifiziert.

Für einen über die experimentellen Möglichkeiten hinausgehenden Einblick in die bei der Filmkühlung der Schaufelhinterkante komplexe Heißgas-Kühlluft-Interaktion werden den experimentellen Untersuchungen in der vorliegenden Arbeit umfangreiche numerische Strömungssimulationen zur Seite gestellt. Da die bislang verwendeten Modelle die Kühlfilmausmischung an der Hinterkante nicht verlässlich vorhersagen, wurden die numerischen Berechnungen zur Filmkühlung durch Spaltausblasung hier erstmalig unter Einsatz so genannter hybrider Turbulenzmodellierung durchgeführt. Die Berechnungsergebnisse veranschaulichen auf eindrucksvolle Weise das faszinierende anisotrope und teils kohärente Wirbelgeschehen, dass die Kühlfilmausmischung auf der Hinterkante der Turbinenschaufel bestimmt.

Mit einem vollständigen experimentellen Datensatz, einem validierten Berechnungsverfahren und den hieraus gewonnenen Erkenntnissen werden dem mit der Kühlungsauslegung betrauten Ingenieur wertvolle, sorgfältig dokumentierte Informationen und Methoden für eine exakte Kühlungsauslegung im Bereich der Schaufelhinterkante an die Hand gegeben.