Der Einfluss der Eintrittsgeometrie auf die Kühlwirkung einer konturierten Filmkühlbohrung mit kühlluftseitiger Queranströmung
Marc Fraas
Diese Publikation zitieren
Marc Fraas, Der Einfluss der Eintrittsgeometrie auf die Kühlwirkung einer konturierten Filmkühlbohrung mit kühlluftseitiger Queranströmung (2019), Logos Verlag, Berlin, ISBN: 9783832588496
5
Accesses
Accesses
Beschreibung / Abstract
Zur Erreichung höherer Wirkungsgrade steigen Druckverhältnis und Turbineneintrittstemperatur von Gasturbinen stetig. In der Folge ist eine intensive Kühlung der thermisch hochbelasteten Komponenten, insbesondere im Hochdruckbereich, erforderlich. Hier wird in modernen Gasturbinen unter anderem Filmkühlung zur Absenkung der Schaufeloberflächentemperaturen eingesetzt. Zur Ermöglichung sehr hoher Turbineneintrittstemperaturen und zur Reduzierung der durch die Kühlung entstehenden Verluste ist eine Steigerung der Kühlwirkung von Interesse.
In der vorliegenden Arbeit werden neuartige, am Eintritt veränderte Filmkühlbohrungsgeometrien untersucht. Solche Bohrungen werden zukünftig durch den Einsatz neuer Fertigungsverfahren wie beispielsweise der additiven Fertigung herstellbar sein. Die Untersuchungen finden experimentell an einem generischen Versuchsstand unter Einhaltung aller relevanten Ähnlichkeitskenngrößen statt. Es werden hochaufgelöste Infrarotmessungen durchgeführt und die Größen Filmkühleffektivität und Wärmeübergang werden bis 50 Bohrungsdurchmesser stromab der Bohrung bestimmt. Die Ergebnisse zeigen erstmals, dass im Fall einer kühlluftseitigen Queranströmung eine Steigerung der Filmkühlwirkung von Diffusorbohrungen durch eine Verbesserung der Bohrungseintrittsgeometrie erzielt werden kann. Diese Steigerung ist auf eine erhöhte Filmkühleffektivität und einen reduzierten Wärmeübergang aufgrund der neuen Eintrittsgeometrien zurückzuführen.
In der vorliegenden Arbeit werden neuartige, am Eintritt veränderte Filmkühlbohrungsgeometrien untersucht. Solche Bohrungen werden zukünftig durch den Einsatz neuer Fertigungsverfahren wie beispielsweise der additiven Fertigung herstellbar sein. Die Untersuchungen finden experimentell an einem generischen Versuchsstand unter Einhaltung aller relevanten Ähnlichkeitskenngrößen statt. Es werden hochaufgelöste Infrarotmessungen durchgeführt und die Größen Filmkühleffektivität und Wärmeübergang werden bis 50 Bohrungsdurchmesser stromab der Bohrung bestimmt. Die Ergebnisse zeigen erstmals, dass im Fall einer kühlluftseitigen Queranströmung eine Steigerung der Filmkühlwirkung von Diffusorbohrungen durch eine Verbesserung der Bohrungseintrittsgeometrie erzielt werden kann. Diese Steigerung ist auf eine erhöhte Filmkühleffektivität und einen reduzierten Wärmeübergang aufgrund der neuen Eintrittsgeometrien zurückzuführen.
Inhaltsverzeichnis
- BEGINN
- Vorwort des Herausgebers
- Vorwort des Autors
- Inhaltsverzeichnis
- Abbildungsverzeichnis
- Tabellenverzeichnis
- Symbolverzeichnis
- Einleitung
- Stand der Forschung
- Charakterisierung einer Filmkühlausblasung
- Einflussgrößen auf die Filmkühlung
- Experimentelle Bestimmung von Oberflächentemperaturen und Wärmeübergangskoeffizienten
- Zielsetzung der vorliegenden Arbeit
- Experimenteller Aufbau zur Durchführung von Filmkühlmessungen
- Beschreibung des verwendeten Versuchsstandes
- Verwendete Filmkühlbohrungsgeometrien zur Untersuchung des Einflusses der Eintrittsgeometrie
- Messprinzip zur Durchführung der Filmkühlmessungen
- Genauigkeit der gemessenen und abgeleiteten Größen
- Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen
- Auswirkung der kühlluftseitigen Anströmung für die Referenzgeometrie
- Einfluss der Eintrittsgeometrie einer konturierten Filmkühlbohrung
- Zusammenfassung und Ausblick
- Literaturverzeichnis
- Mitbetreute Bachelor- und Masterarbeiten
- Anhang
- Wertebereiche relevanter Ähnlichkeitskenngrößen in Gasturbinen
- Temperatur- und Geschwindigkeitsverteilung im Heißgaskanal
- Bestimmung des Massenstroms durch die Filmkühlbohrung
- Datennachbearbeitung zur Bestimmung der Filmkühlgrößen
- Fehlerfortpflanzungsrechnung
- Geometrische Details der eintrittsoptimierten Geometrien
- Ergebnisse der Wärmeübergangsmessung ohne Filmkühlung
- Diskussion der Plausibilität der bestimmten Durchflusskoeffizienten
- Ergänzende Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen