Zur Interaktion von Filmkühlung und Heißgasströmung auf konturierten Turbinenseitenwänden

Johannes Kneer

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Johannes Kneer, Zur Interaktion von Filmkühlung und Heißgasströmung auf konturierten Turbinenseitenwänden (2017), Logos Verlag, Berlin, ISBN: 9783832592189

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Descripción / Abstract

Die größten Optimierungspotentiale bei Turbomaschinen liegen heute nicht mehr im rein technologischen Fortschritt der Einzelkomponenten, sondern zunehmend im verbesserten Zusammenspiel der Komponenten und Teilsysteme. Als Schnittstelle zwischen der Brennkammer und der restlichen Turbine nimmt die erste Turbinenleitreihe hier eine zentrale Rolle ein. Die Einführung neuer Magerverbrennungskonzepte wird die thermische Belastung der Turbinenseitenwand weiter erhöhen. Neue dreidimensionale Konturierungen der Seitenwand erlauben eine Reduktion der aerodynamischen Verluste. Die Integration dieser neuen Konzepte mit dem Kühlsystem, bei einer weiteren Erhöhung des Wirkungsgrades, stellt eine gewaltige Herausforderung dar.

Gegenstand dieser Studie sind Wärmeübergang und Filmkühleffektivität auf einer solchen konturierten Seitenwand mit Interaktion der Sekundärströmung und Filmkühlung. Die experimentellen Ergebnisse werden unter Zuhilfenahme von begleitenden numerischen Berechnungen des Strömungsfelds erklärt und interpretiert. Eine neuartige Methodik zur Datenreduktion erlaubt es dem Entwicklungsingenieur, während der aerothermischen Auslegung von thermisch hochbelasteten filmgekühlten Leitgittern auf existierende Korrelationen der Filmkühlung zurückzugreifen. Darüber hinaus stellen die erzeugten experimentellen Daten eine Validierungsbasis für dreidimensionale CFD-Rechnungen dar, bei denen erweiterte Modelle zur Vorhersage der Grenzschichttransition in Filmkühlkonfigurationen unter dem Einfluss von Sekundärströmungen bewertet werden sollen.

Índice

  • BEGINN
  • Inhaltsverzeichnis
  • Symbolverzeichnis
  • 1 Einleitung
  • 2 Einflüsse auf Wärmetransport und Filmkühlung an Turbinenseitenwänden
  • 2.1 Strömungsfeld, Wärmeübergang und Verluste
  • 2.2 Formoptimierung der Seitenwand
  • 2.3 Grundlagen der Filmkühlung
  • 2.4 Übersicht existierender Untersuchungen zum Wärmeübergang und zur Filmkühlung von konturierten Seitenwänden
  • 2.5 Zielsetzung
  • 3 Versuchsanlage und Messtechnik
  • 3.1 Versuchsaufbau
  • 3.2 Messwerterfassung, Messtechnik und Instrumentierung
  • 3.3 Bestimmung der Druckverteilung auf der Seitenwand
  • 3.4 Bestimmung der Ausblaserate
  • 3.5 Charakterisierung der Schaufelkaskade und des Prüfstandes
  • 4 Bestimmung von Wärmeübergang und Filmkühlgrößen
  • 4.1 Messträger
  • 4.2 Bestimmung der Temperatur an der Seitenwand
  • 4.3 Bestimmung der konvektiven Wärmestromdichte
  • 4.4 Berechnung des Wärmeübergangs und der Filmkühlgrößen
  • 4.5 Einfluss der Modultaschen
  • 4.6 Bewertung des Messverfahrens
  • 4.7 Zusammenfassung und Versuchsprogramm
  • 5 Ergebnisse der Untersuchung
  • 5.1 Wärmeübergang und Filmkühleffektivität
  • 5.2 Vorgehen zur Analyse der Einflüsse auf die Filmkühlung
  • 5.3 Analyse der lokalen Filmkühlung
  • 5.4 Zusammenfassung der Ergebnisse
  • 6 Zusammenfassung und Ausblick
  • Literatur
  • A Anhang
  • A.1 Geometrie und Charakterisierung des Prüfstandes
  • A.2 Einfluss der Umgebungsbedingungen auf den statischen Druck an der Seitenwand
  • A.3 Durchflussbeiwert
  • A.4 Filmkühlmodul – Modellbildung und Korrektur
  • A.5 Abschätzung des Einflusses der Kühllufttemperatur auf die adiabate Filmkühleffektivität
  • A.6 Darstellung der Daten
  • A.7 Konturplots: Filmkühlgrößen und Stromlinien
  • A.8 Vergleichsplots: Filmkühlgrößen

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