ISBN 9783843955638

978-3-8439-5563-8, Reihe Thermodynamik

Philipp Wellinger
Analyse der Vorhersagegenauigkeit von Turbulenzmodellen am Beispiel der Kühlung von Gasturbinenschaufeln

187 Seiten, Dissertation Universität Stuttgart (2024), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Zur Steigerung des thermischen Wirkungsgrades moderner Gasturbinen ist eine genaue Kenntnis der vorherrschenden Strömungsbedingungen und Temperaturverteilungen unabdingbar. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf dem genauen Verständnis der Kühlung der hochbelasteten Turbinenschaufeln. Bei der Kühlung spielen interne Mechanismen wie Pin Fins oder Rippen eine wichtige Rolle. Diese erhöhen den Wärmeübergang zwischen Kühlluft und Turbinenschaufel, wodurch ein reduzierter Kühlluftbedarf erzielt werden kann. Weiterhin ist eine verbesserte Kühlung eine Voraussetzung für die Erhöhung der Turbineneintrittstemperatur. Beides kann zur direkten Steigerung des thermischen Wirkungsgrades und zur Reduzierung der emittierten Schadstoffe führen. Genauere Messungen der Temperaturverteilung gestalten sich schwierig. Daher werden bei der Entwicklung oft numerische Methoden zur Bestimmung der Bauteiltemperaturen eingesetzt.

Ziel dieser Arbeit ist es, ein besseres Verständnis der Vorhersagegenauigkeit verschiedener Turbulenzmodelle für die in Gasturbinenschaufeln auftretenden Strömungen und Wärmeübergänge zu erlangen. Dazu wurde die Geometrie in einen Satz einfacher Testfälle unterteilt und numerisch untersucht. Dieser besteht aus einem Einzelprallstrahl, einem einseitig berippten Kanal, zwei Pin Fin Geometrien, einem ebenen Kanal mit einer 180°-Umlenkung sowie einer realitätsnahen Geometrie eines berippten Zweipass-Kühlkanals. Die Simulationsergebnisse unterschiedlicher Turbulenzmodelle wurden mit Literaturdaten verglichen.

Zur genaueren Analyse der Strömungszustände, insbesondere des Turbulenzverhaltens, wurden weiterhin hochaufgelöste Large Eddy Simulationen des berippten Kanals und der Pin Fin Geometrien durchgeführt. Die Simulationsergebnisse wurden auf die Verteilung der Reynoldsspannungen, der Einzelterme der Transportgleichung der turbulenten kinetischen Energie, auf den anisotropen Zustand der Turbulenz und auf die Gültigkeit der linearen Boussinesq Hypothese hin untersucht.