Einfluss der Oberflächenrauigkeit Auf Den Wärmeübergang und Die Aerodynamischen Verluste Einer Gasturbinenbeschaufelung

Die Forderung nach immer hoheren Wirkungsgraden von Gasturbinen geht mit der Erhohung der Turbineneintrittstemperatur und des Maschinendruckverhaltnisses einher. Bereits heute liegen die Heissgastemperaturen weit oberhalb der zulassigen Materialtemperaturen der heissgasfuhrenden Bauteile. Der effiziente Einsatz der Kuhlluft stellt dabei hochste Anforderungen an die Auslegung der Schaufelkuhlung. Die vorliegende Arbeit untersucht den ausseren konvektiven Warmeubergang und die...
More Description

Die Forderung nach immer hoheren Wirkungsgraden von Gasturbinen geht mit der Erhohung der Turbineneintrittstemperatur und des Maschinendruckverhaltnisses einher. Bereits heute liegen die Heissgastemperaturen weit oberhalb der zulassigen Materialtemperaturen der heissgasfuhrenden Bauteile. Der effiziente Einsatz der Kuhlluft stellt dabei hochste Anforderungen an die Auslegung der Schaufelkuhlung. Die vorliegende Arbeit untersucht den ausseren konvektiven Warmeubergang und die aerodynamischen Verluste einer Gasturbinenbeschaufelung. Die experimentellen Untersuchungen werden bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen (Reynoldszahl und Freistromturbulenz) durchgefuhrt. Der Fokus liegt dabei auf dem Einfluss der Oberflachenrauigkeit, die mit Blick auf das Langzeitverhalten eine immer grossere Rolle spielt. Die Untersuchungen bei systematischer Variation der Geometrie von deterministischen Rauigkeiten zeigen, dass diese im Vergleich zur glatten Oberflache auf der Schaufel selbst sowie auf deren Plattform zu erhohtem Warmeubergang fuhren. Untersuchungen im Schaufelmittelschnitt verdeutlichen, dass die Verteilung des Warmeubergangs und die aerodynamischen Verluste entscheidend von der Lage des laminar-turbulenten Ubergangs der Grenzschicht abhangen. Dieser wird durch die Oberflachenrauigkeit stromauf verschoben und bewirkt eine Steigerung des lokalen Warmeubergangs um bis zu einer Grossenordnung. Unter Zuhilfenahme eines zweidimensionalen Grenzschichtrechenverfahrens werden die experimentellen Ergebnisse zusammen mit weiteren Daten aus der Literatur zur Entwicklung einer Korrelation fur den laminar-turbulenten Umschlag herangezogen. Die Berucksichtigung der Oberflachenrauigkeit erfolgt dabei uber eine, fur den laminar-turbulenten Ubergang charakteristische, aquivalente Rauigkeitsgrosse. Abschliessend wird gezeigt, wie sich dieses Verfahren zur Vorhersage der Grenzschichtentwicklung bei realen Oberflachenrauigkeiten anwenden lasst.