ISBN 9783843937351

978-3-8439-3735-1, Reihe Ingenieurwissenschaften

Marco Montis
Aerodynamic Effects of Coolant Ejection in a High-Pressure Gas Turbine Airfoil

140 Seiten, Dissertation Universität der Bundeswehr München (2018), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit der aerodynamischen Auswirkung der Kühlluftausblasung in der Beschaufelung von Gasturbinen. Sie entstand aus Forschungsergebnissen, die im Rahmen eines öffentlich finanzierten Forschungsprojekts erzielt wurden. Dabei wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen an einem ebenen Schaufelgitter durchgeführt, dessen Schaufeln mit mehreren Bohrungsreihen für Kühlluftausblasung auf der Druck- sowie auf der Saugseite ausgestattet sind. Die Untersuchungen fanden im Hochgeschwindigkeitswindkanal der Universität der Bundeswehr München statt und umfassten die Messung der Druckverteilung auf dem Schaufelprofil und die Charakterisierung mittels einer Fünflochsonde des Strömungsfelds im Nachlauf des Schaufelgitters bei betriebsähnlichen Abstrom-Mach- und Reynoldszahlen unter Variation des Kühlluftmassenstroms. Schwerpunkt der Analyse liegt auf dem von der Kühlluftausblasung verursachten aerodynamischen Verlust, d. h. dem Verlust kinetischer Energie in der Strömung durch das Schaufelgitter.

Zur Ermittlung des Einflusses der Kühlluftausblasung auf den aerodynamischen Verlust wurden Referenzmessungen ohne Kühlluftausblasung und Messungen mit Kühlluftausblasung aus allen sowie aus einzelnen Bohrungsreihen durchgeführt. Die Kühlluftausblasung aus allen Bohrungsreihen zeigt eine erhebliche Auswirkung auf die Aerodynamik des Schaufelgitters: Das Maximum der Profil-Machzahlverteilung auf der Saugseite fällt, die Nachlaufdelle wird in Richtung der Druckseite verschoben, der primäre Verlustbeiwert nimmt wegen des Energiebeitrags der Kühlluftstrahlen ab, während der thermodynamische Verlustbeiwert steigt. Die Messungen mit Kühlluftausblasung aus den einzelnen Bohrungsreihen zeigen einen dominierenden Einfluss der Hinterkantenausblasung, die ähnliche Ergebnisse wie bei Kühlluftausblasung aus allen Bohrungsreihen hervorbringt.

Die Daten aus den experimentellen Untersuchungen wurden in einer zweiten Phase der Studie verwendet, um die Zuverlässigkeit des verbreiteten Turbulenzmodells für RANS Gleichungen SST bei der Vorhersage des aerodynamischen Verlusts im Zusammenhang mit Kühlluftausblasung zu prüfen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Ansatz mit RANS Gleichungen und SST Turbulenzmodell eine ziemlich genaue Vorhersage des aerodynamischen Verlusts mit begrenztem Rechenaufwand ermöglicht und eine bessere Alternative zu den herkömmlichen Korrelationen basierend auf Kontrollvolumenanalyse darstellt.