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Einfluss der Oberflächenrauigkeit auf die transitionale Grenzschicht an Gasturbinenschaufeln - Experimentelle Untersuchungen und Entwicklung eines Berechnungsverfahrens

Forschungsberichte aus dem Institut für Thermische Strömungsmaschinen, Bd. 38/2007

Matthias Stripf
ISBN 978-3-8325-1805-9
267 Seiten, Erscheinungsjahr: 2007
Preis: 40.50 EUR

Stichworte/keywords: Gasturbine, Wärmeübergang, Rauigkeit, Grenzschicht, laminar-turbulenter Übergang

Der thermische Wirkungsgrad und die Leistungsdichte moderner Flugtriebwerke und stationärer Gasturbinen konnten in den letzten Jahrzehnten erheblich verbessert werden. Dennoch ist wegen des großen Anteils dieser Maschinen am Primärenergieumsatz eine weitere Steigerung der Effizienz von außerordentlicher Bedeutung. Bereits heute werden zum Erreichen der hohen Wirkungsgrade Turbineneintrittstemperaturen von bis zu 2000 K verwirklicht, was nur durch eine starke Kühlung der Turbinenschaufeln und anderer heißgasbeaufschlagter Komponenten möglich ist.

Bis zu 30% des verdichteten Gesamtmassenstroms müssen hierzu eingesetzt werden und tragen nicht zum Arbeitsgewinn bei. Eine Reduzierung dieses Kühlluftbedarfs hätte deshalb unmittelbar eine Steigerung des Wirkungsgrades zur Folge. Grundlage für eine Optimierung der Schaufelkühlung ist die genaue Kenntnis der Wärmeübergangsverteilung an der Schaufeloberfläche, welche stark von verschiedenen Faktoren wie zum Beispiel der Turbulenz oder der Oberflächenrauigkeit abhängt.

Ziel der zunächst experimentellen Arbeit ist deshalb die grundlegende Untersuchung des Rauigkeitseinflusses auf den äußeren Wärmeübergang an Turbinenschaufeln unter turbinentypischen Randbedingungen. Hierzu wird ein eigens entwickeltes Ätzverfahren zur Herstellung genau definierter Oberflächenstrukturen auf dünnen Metallfolien vorgestellt. Zur flächigen Bestimmung der Wärmeübergangsverteilung in der Nähe des Schaufelfußes wird erstmals ein neues Messverfahren entworfen und eingesetzt, bei dem die Sekundärwirbel mit Hilfe einer verschiebbaren Zwischenwand über die Messebene traversiert werden. Das neue Verfahren erlaubt eine sehr hohe räumliche Auflösung, da die Instrumentierung auf eine Ebene beschränkt werden kann.

Die experimentellen Ergebnisse zeigen einen starken Einfluss der Rauigkeit, der entgegen der bisher verbreiteten Auffassung durchaus in der Größenordnung des Turbulenzeinflusses oder darüber liegt. Insgesamt wird deutlich, dass eine Berücksichtigung der Rauigkeit bei der Auslegung der Schaufelkühlung von größter Bedeutung ist.

Den Ausgangspunkt für die Berücksichtigung des Rauigkeitseinflusses bildet die Berechnung der komplexen, transitionalen Grenzschicht an der rauen Schaufeloberfläche. Im Mittelpunkt des zweiten und numerischen Teils der Arbeit steht deshalb die Entwicklung von Modellen zur Berechnung der laminaren, transitionalen und vollturbulenten Grenzschichtbereiche an der rauen Schaufeloberfläche. Zur Bestimmung der Startstelle des laminar-turbulenten übergangs werden die gewonnenen Messdaten zusammen mit weiteren Testfällen aus der Literatur korreliert. Die im Rahmen der Arbeit entwickelte Korrelation berücksichtigt erstmals Turbulenz, Rauigkeitshöhe und -dichte sowie Oberflächenkrümmung und ist damit insbesondere für die Berechnung von Schaufelumströmungen geeignet. Den Abschluss der Modellierung bilden zwei Teilmodelle für die vollturbulente Grenzschicht an rauen Oberflächen, welche unterschiedliche Detaillierungsgrade aufweisen und sich in den Ansätzen grundlegend unterscheiden.

Das erste Verfahren stellt ein aktuelles, bereits in der Literatur verfügbares Sandkornrauigkeitsmodell dar, welches in der vorliegenden Arbeit erstmals mit einem Transitionsmodell kombiniert wird. Ein weiteres Verfahren mit einem deutlich aufwendigeren Diskrete-Elemente-Modellansatz wird erstmals mit einem Zwei-Schichten-Turbulenzmodell kombiniert sowie für die Verwendung mit stochastischen, realen Rauigkeiten erweitert. Letzteres Verfahren erlaubt eine höhere Vorhersagegenauigkeit bei jedoch größerem Rechenaufwand. Den Abschluss der Arbeit bildet eine ausführliche Validierung der Modelle anhand der eigenen Messungen sowie Testfällen aus der Literatur.

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