ISBN 9783843920391

978-3-8439-2039-1, Reihe Ingenieurwissenschaften

York Mick
Experimentelle und numerische Methoden zur Untersuchung einer konvektionsgekühlten Turbinenschaufel unter realen Temperaturbedingungen

189 Seiten, Dissertation Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (2014), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der fortschrittlichen Konvektionskühlung von Turbinenschaufeln in Industriegasturbinen. Für die Analyse der thermischen Belastung der Turbinenschaufel unter realitätsnahen Temperaturbedingungen wurden experimentelle und numerische Methoden entwickelt. Die Experimente wurden am Heißgas-Gitterprüfstand des Instituts für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen der RWTH Aachen unter Heißgastemperaturen von bis zu 1273 K durchgeführt. Zudem wurde eine Infrarot(IR)-Messkette zur Erfassung von Oberflächentemperaturverteilungen der Schaufel entwickelt und validiert. Die Experimente lieferten Randbedingungen und Validierungsdaten für konjugierte Wärmeübergangsrechnungen (CHT) sowie für Rechnungen mittels der finiten Elemente Methode (FEM) anhand eines Berechnungsmoduls, das einen geringeren Detaillierungsgrad besitzt. Anhand der numerischen Methoden wurde die thermische Belastung der Turbinenschaufel eingehend analysiert. Diese wurde auf die Strömungsphänomene der Innen- und Außenströmung sowie auf den Einfluss der Wärmestrahlung aus dem Heißgaspfad zurückgeführt. Letztere spielte eine zentrale Rolle in der Auswertung. Die Genauigkeit der numerischen Methoden wurde anhand der gemessenen Schaufeltemperaturen mittels Thermoelementen bewertet.

Die Temperaturverteilung der Schaufel wurde von den Eigenschaften des Kühlsystems dominiert. Es konnte eine gute Übereinstimmung zwischen den experimentellen und numerischen Temperaturverteilungen im Mittelschnitt der Schaufel bestätigt werden. Durch die Berücksichtigung der Wärmestrahlung wurden die mittleren Temperaturabweichungen um bis zu 50% reduziert. Die Wärmestrahlung bewirkte eine Erhöhung des Temperaturniveaus der Schaufel bei nahezu gleich bleibender Oberflächentemperaturverteilung. Gleiches wurde für das Niveau und die Verteilung der Temperaturgradienten im Schaufelmaterial festgestellt. Die Vernachlässigung der Wärmestrahlung führte zu einer Überschätzung der Kühleffektivität. Die numerischen Methoden ermöglichten die detaillierte und vollständige Analyse der thermischen Belastung der vorliegenden Turbinenschaufel und sind aufgrund ihres unterschiedlichen Rechenaufwands und Detaillierungsgrads für verschiedene Phasen der Auslegung konvektiver Schaufelkühlsysteme geeignet. Die entwickelten experimentellen und numerischen Methoden sind auf andere Kühlsysteme übertragbar.