Experimentelle Untersuchungen an einem Niederdruckturbinenprofil mit druckseitiger Ablösung

Forschungsberichte aus dem Institut für Thermische Strömungsmaschinen, Bd. 53/2013

Helge Ladisch

ISBN 978-3-8325-3466-0
146 Seiten, Erscheinungsjahr: 2013
Preis: 35.50 €
Experimentelle Untersuchungen an einem Niederdruckturbinenprofil mit druckseitiger Ablösung

Gasturbinen dominieren den Markt der Luftfahrtantriebe aufgrund ihrer einzigartigen Leistungsdichte und ihrer Effizienz. Diese Eigenschaften bedingen jedoch enorme mechanische und thermische Belastungen der Turbinenkomponenten, welche eine aufwändige Kühlung der thermisch belasteten Bauteile erzwingen. Die Kühlung der Bauteile erfolgt dabei konvektiv oder als Filmkühlung unter Verwendung von komprimierter Luft, welche dem Verdichter entnommen wird. Der Einsatz von Kühlluft vermindert also zwangsläufig den thermischen Wirkungsgrad der Gasturbine. Um die benötigten Kühlluftmengen möglichst klein zu halten, ist eine genaue Kenntnis der Wärmeströme und thermischen Randbedingungen der Gasturbinenschaufeln notwendig. Zahlreiche experimentelle und numerische Untersuchungen befassen sich deswegen mit den verschiedenen Einflüssen wie z.B. Freistromturbulenz, Reynoldszahl, Oberflächenrauigkeit auf den Wärmeübergang und die Kühlung von Gasturbinenschaufeln. Dadurch ist im Laufe der Zeit eine umfangreiche Datenbasis entstanden, anhand derer Werkzeuge zur Vorhersage des thermischen und aerodynamischen Verhaltens neuer Gasturbinenschaufeln entwickelt und überprüft werden können.

Durch die stetige Weiterentwicklung hin zu einem niedrigeren Leistungsgewicht und höheren Wirkungsgraden kommen jedoch auch neue Einflussgrößen hinzu, die weitere Untersuchungen notwendig machen. Eine höhere Stufenarbeit zur Reduzierung der benötigten Turbinenstufen und damit eine höhere Strömungsumlenkung führen zum verstärkten Auftreten von Gebieten abgelöster Strömung in der Turbine. Durch die äußerst schlanken Profile in der Niederdruckturbine treten dabei nicht nur auf der Saugseite sondern auch auf der Druckseite Ablösegebiete auf.

Im Gegensatz zu saugseitigen Ablösegebieten sind druckseitigen Ablösegebiete und ihre Auswirkungen auf den lokalen Wärmeübergang sind bisher kaum untersucht. Gleichzeitig zeigen Vergleiche zwischen den wenigen vorhandenen experimentellen Daten und numerischen Vorhersagen große Abweichungen sowohl für den Wärmeübergang als auch für die Aerodynamik.

Um diese Lücke zu schließen, wurde in der vorliegenden Arbeit deshalb eine umfassende experimentelle Untersuchung der Strömung um ein Niederdruckturbinenprofil mit druckseitiger Ablösung durchgeführt. Von besonderem Interesse waren dabei die Auswirkungen der turbinentypischen Einflussgrößen Reynoldszahl, Turbulenzgrad sowie von instationären Nachläufen auf die Ablösegebiete des untersuchten Niederdruckturbinenprofils. Um die gewonnenen aerodynamischen und Wärmeübergangsdaten zur Entwicklung und Validierung von numerischen Werkzeugen zur Strömungsberechnung verwenden zu können, kam der genauen Erfassung und Dokumentation der experimentellen Randbedingungen eine entscheidende Rolle zu