ISBN 9783843911658

978-3-8439-1165-8, Reihe Thermodynamik

Simon Schüren
Numerische Untersuchung einer anwendungsnahen schrägen Prallkühlungskonfiguration in einer thermisch hochbelasteten Gasturbinenschaufel

171 Seiten, Dissertation Universität Stuttgart (2013), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

In dieser Dissertation wird eine komplexe Prallstrahlkonfiguration zur Kühlung einer modernen thermisch hochbelasteten Gasturbinenschaufel numerisch untersucht. Ziel der Arbeit ist es, ein CFD-Modell zu entwickeln, das hohe Genauigkeit und geringen Rechenaufwand kombiniert. Dies soll im industriellen Auslegungsprozess eingesetzt werden, um den lokalen Wärmeübergang zuverlässig vorherzusagen. Anhand dieses Modells sollen die Ergebnisse einer begleitenden experimentellen Untersuchung reproduziert und somit auch die Versuchsmethodik validiert werden. Zu diesem Zweck werden zunächst einzelne Parameter des Simulationsmodells anhand des Vergleichs mit dokumentierten Daten generischer Geometrien validiert. Die Eignung des Modells, relevante physikalische Phänomene akkurat wiederzugeben, wird analysiert. Anschließend erfolgt eine Studie des Einflusses unterschiedlicher Randbedingungen auf die Ergebnisse des Wärmeübergangs. Ursachen für mögliche Abweichungen zwischen experimentellen und numerischen Resultaten werden benannt, besonders hervorzuheben ist die Referenztemperatur für den Wärmeübergang.

Mit dem entwickelten Simulationsmodell werden mehrere Geometrievarianten untersucht. Ausgehend von einer Basisgeometrie wird der Einfluss von Rippen auf den Prallwänden, einer Variation der Bohrungsabstände und einer Modifikation der Bohrungsform analysiert. Für sämtliche Konfigurationen werden Rechnungen bei unterschiedlichen Reynoldszahlen im Bereich zwischen 10 000 und 75 000 durchgeführt. Für alle Geometrien werden lokal aufgelöste, lateral sowie flächengemittelte Nusseltzahlen bestimmt. Die Analyse des Strömungsfeldes dient der Erklärung der auftretenden Phänomene des Wärmeübergangs.

Die ermittelten Nusseltzahlen stimmen qualitativ gut mit den Versuchsergebnissen überein, liegen teilweise aber über diesen, was auf das verwendete Turbulenzmodell sowie unvermeidbare Abweichungen in den Randbedingungen zwischen Experiment und Simulation zurückzuführen ist. Rippen erhöhen den Wärmeaustausch zwischen den Wänden und der Umgebung durch die Oberflächenvergrößerung.

Ein größerer Abstand zwischen den einzelnen Prallstrahlen ruft Zonen mit niedriger Nusseltzahl zwischen den Strahlen hervor, während konisch verjüngte Bohrungen die Strahlen beschleunigen und den lokalen Wärmeübergang im Staupunkt intensivieren. Je nach den Auslegungsbedingungen des Kühlsystems erweisen sich unterschiedliche Geometriekonfigurationen am effizientesten.