Filmkühlung transsonischer Turbinen: Infrarotthermographisches Messverfahren zur Charakterisierung des Wärmeübergangs
Marco Ochs
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Marco Ochs, Filmkühlung transsonischer Turbinen: Infrarotthermographisches Messverfahren zur Charakterisierung des Wärmeübergangs (2011), Logos Verlag, Berlin, ISBN: 9783832597610
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Beschreibung / Abstract
Abstract Moderne Flugtriebwerke zeichnen sich heutzutage durch eine hohe Leistungsdichte bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad aus. Damit einher gehen hohe aerodynamische und thermische Belastungen der Hochdruckturbine. Heißgas mit Temperaturen von bis zu 2000 K umströmt dabei die Turbinenschaufeln mit Strömungsgeschwindigkeiten, die bis in den Überschall reichen. Um ein strukturelles Versagen zu verhindern, werden daher die dem Heißgas ausgesetzten Komponenten mit Luft aus dem Verdichter filmgekühlt. Einer konservativen Auslegung der Bauteilkühlung stehen allerdings Einbußen im thermischen Wirkungsgrad gegenüber, die aus dem übermäßigen Kühlluftverbrauch resultieren. Eine Annäherung an die maximale Materialtemperatur ist demzufolge anzustreben. Zu erreichen ist dies aber nur, wenn die Kühlwirkung hinreichend gut vorhergesagt werden kann. Während für subsonische Strömungen bereits Auslegungswerkzeuge existieren, ist die Auswirkung von Überschallphänomenen auf die Filmkühlung transsonischer Turbinen bislang nur unzureichend charakterisiert. Die vorliegende Arbeit widmet sich daher der Fragestellung, inwiefern die Interaktion eines sich im Überschall bildenden schrägen Verdichtungsstoßes mit einem Kühlfilm Einfluss auf die Kühlung hat. Zentrale Messtechnik zur Charakterisierung des Wärmeübergangs ist die Infrarotthermographie. In dieser Arbeit wurde hierzu eine robuste Kalibriermethodik entwickelt, um Temperaturverteilungen bei den im Experiment vorherrschenden Wärmeströmen bestimmen zu können. Eine Temperaturkalibrierung ist damit selbst dann noch möglich, wenn Stützstellen nicht über den kompletten Temperaturbereich zur Verfügung stehen. Des Weiteren wurde die Signalaufbereitung des Infrarotsystems grundlegend überarbeitet, wodurch nun nahezu beliebige Temperaturspannen innerhalb einer Infrarotaufnahme erfasst werden können.
Inhaltsverzeichnis
- BEGINN
- 1 Einleitung und Zielsetzung
- 2 Filmkühlung transsonisch umströmter Turbinenschaufeln
- 2.1 Grundlagen der Filmkühlung
- 2.2 Grundlegende Phänomene in Überschallströmungen
- 2.3 Aerodynamik und Wärmeübergang in transsonisch durchströmten Turbinenstufen
- 3 Experimenteller Aufbau und aerodynamische Auslegung
- 3.1 Hochdruck-Hochtemperaturanlage (HDT)
- 3.2 Messstrecke
- 3.3 Versuchsträger und Ausblasegeometrien
- 3.4 Messwerterfassung und Messsysteme
- 3.5 Bestimmung der Durchflusskoeffizienten
- 3.6 Bestimmung der Filmkühlgrößen
- 3.7 Versuchsprogramm und experimentelle Randbedingungen
- 4 Entwicklung eines infrarotthermographischen Messverfahrens
- 4.1 Grundlagen der Thermographie
- 4.2 Erfassung von Szenerien hoher Strahlungsdynamik
- 4.3 Temperaturkalibrierung
- 5 Versuchsergebnisse und Diskussion
- 5.1 Vergleich mit Literaturdaten
- 5.2 Charakterisierung der supersonischen Freiströmung
- 5.3 Charakterisierung der Stoß-Grenzschicht-Interaktion
- 5.4 Filmkühlung bei Ausblasung an Position 1
- 5.5 Filmkühlung bei Ausblasung an Position 2
- 5.6 Korrelation des Durchflussverhaltens bei Ausblasung in eine Überschallströmung
- 6 Zusammenfassung und Ausblick
- Literatur
- Anhang