Die größten Optimierungspotentiale bei Turbomaschinen liegen heute nicht mehr im rein technologischen Fortschritt der Einzelkomponenten, sondern zunehmend im verbesserten Zusammenspiel der Komponenten und Teilsysteme. Als Schnittstelle zwischen der Brennkammer und der restlichen Turbine nimmt die erste Turbinenleitreihe hier eine zentrale Rolle ein. Die Einführung neuer Magerverbrennungskonzepte wird die thermische Belastung der Turbinenseitenwand weiter erhöhen. Neue dreidimensionale Konturierungen der Seitenwand erlauben eine Reduktion der aerodynamischen Verluste. Die Integration dieser neuen Konzepte mit dem Kühlsystem, bei einer weiteren Erhöhung des Wirkungsgrades, stellt eine gewaltige Herausforderung dar.
Gegenstand dieser Studie sind Wärmeübergang und Filmkühleffektivität auf einer solchen konturierten Seitenwand mit Interaktion der Sekundärströmung und Filmkühlung. Die experimentellen Ergebnisse werden unter Zuhilfenahme von begleitenden numerischen Berechnungen des Strömungsfelds erklärt und interpretiert. Eine neuartige Methodik zur Datenreduktion erlaubt es dem Entwicklungsingenieur, während der aerothermischen Auslegung von thermisch hochbelasteten filmgekühlten Leitgittern auf existierende Korrelationen der Filmkühlung zurückzugreifen. Darüber hinaus stellen die erzeugten experimentellen Daten eine Validierungsbasis für dreidimensionale CFD-Rechnungen dar, bei denen erweiterte Modelle zur Vorhersage der Grenzschichttransition in Filmkühlkonfigurationen unter dem Einfluss von Sekundärströmungen bewertet werden sollen.
Aktualisiert: 2023-05-15
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Zur Erreichung höherer Wirkungsgrade steigen Druckverhältnis und Turbineneintrittstemperatur von Gasturbinen stetig. In der Folge ist eine intensive Kühlung der thermisch hochbelasteten Komponenten, insbesondere im Hochdruckbereich, erforderlich. Hier wird in modernen Gasturbinen unter anderem Filmkühlung zur Absenkung der Schaufeloberflächentemperaturen eingesetzt. Zur Ermöglichung sehr hoher Turbineneintrittstemperaturen und zur Reduzierung der durch die Kühlung entstehenden Verluste ist eine Steigerung der Kühlwirkung von Interesse.
In der vorliegenden Arbeit werden neuartige, am Eintritt veränderte Filmkühlbohrungsgeometrien untersucht. Solche Bohrungen werden zukünftig durch den Einsatz neuer Fertigungsverfahren wie beispielsweise der additiven Fertigung herstellbar sein. Die Untersuchungen finden experimentell an einem generischen Versuchsstand unter Einhaltung aller relevanten Ähnlichkeitskenngrößen statt. Es werden hochaufgelöste Infrarotmessungen durchgeführt und die Größen Filmkühleffektivität und Wärmeübergang werden bis 50 Bohrungsdurchmesser stromab der Bohrung bestimmt. Die Ergebnisse zeigen erstmals, dass im Fall einer kühlluftseitigen Queranströmung eine Steigerung der Filmkühlwirkung von Diffusorbohrungen durch eine Verbesserung der Bohrungseintrittsgeometrie erzielt werden kann. Diese Steigerung ist auf eine erhöhte Filmkühleffektivität und einen reduzierten Wärmeübergang aufgrund der neuen Eintrittsgeometrien zurückzuführen.
Aktualisiert: 2023-05-15
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Zur Erreichung höherer Wirkungsgrade steigen Druckverhältnis und Turbineneintrittstemperatur von Gasturbinen stetig. In der Folge ist eine intensive Kühlung der thermisch hochbelasteten Komponenten, insbesondere im Hochdruckbereich, erforderlich. Hier wird in modernen Gasturbinen unter anderem Filmkühlung zur Absenkung der Schaufeloberflächentemperaturen eingesetzt. Zur Ermöglichung sehr hoher Turbineneintrittstemperaturen und zur Reduzierung der durch die Kühlung entstehenden Verluste ist eine Steigerung der Kühlwirkung von Interesse.
In der vorliegenden Arbeit werden neuartige, am Eintritt veränderte Filmkühlbohrungsgeometrien untersucht. Solche Bohrungen werden zukünftig durch den Einsatz neuer Fertigungsverfahren wie beispielsweise der additiven Fertigung herstellbar sein. Die Untersuchungen finden experimentell an einem generischen Versuchsstand unter Einhaltung aller relevanten Ähnlichkeitskenngrößen statt. Es werden hochaufgelöste Infrarotmessungen durchgeführt und die Größen Filmkühleffektivität und Wärmeübergang werden bis 50 Bohrungsdurchmesser stromab der Bohrung bestimmt. Die Ergebnisse zeigen erstmals, dass im Fall einer kühlluftseitigen Queranströmung eine Steigerung der Filmkühlwirkung von Diffusorbohrungen durch eine Verbesserung der Bohrungseintrittsgeometrie erzielt werden kann. Diese Steigerung ist auf eine erhöhte Filmkühleffektivität und einen reduzierten Wärmeübergang aufgrund der neuen Eintrittsgeometrien zurückzuführen.
Aktualisiert: 2023-04-17
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Die größten Optimierungspotentiale bei Turbomaschinen liegen heute nicht mehr im rein technologischen Fortschritt der Einzelkomponenten, sondern zunehmend im verbesserten Zusammenspiel der Komponenten und Teilsysteme. Als Schnittstelle zwischen der Brennkammer und der restlichen Turbine nimmt die erste Turbinenleitreihe hier eine zentrale Rolle ein. Die Einführung neuer Magerverbrennungskonzepte wird die thermische Belastung der Turbinenseitenwand weiter erhöhen. Neue dreidimensionale Konturierungen der Seitenwand erlauben eine Reduktion der aerodynamischen Verluste. Die Integration dieser neuen Konzepte mit dem Kühlsystem, bei einer weiteren Erhöhung des Wirkungsgrades, stellt eine gewaltige Herausforderung dar.
Gegenstand dieser Studie sind Wärmeübergang und Filmkühleffektivität auf einer solchen konturierten Seitenwand mit Interaktion der Sekundärströmung und Filmkühlung. Die experimentellen Ergebnisse werden unter Zuhilfenahme von begleitenden numerischen Berechnungen des Strömungsfelds erklärt und interpretiert. Eine neuartige Methodik zur Datenreduktion erlaubt es dem Entwicklungsingenieur, während der aerothermischen Auslegung von thermisch hochbelasteten filmgekühlten Leitgittern auf existierende Korrelationen der Filmkühlung zurückzugreifen. Darüber hinaus stellen die erzeugten experimentellen Daten eine Validierungsbasis für dreidimensionale CFD-Rechnungen dar, bei denen erweiterte Modelle zur Vorhersage der Grenzschichttransition in Filmkühlkonfigurationen unter dem Einfluss von Sekundärströmungen bewertet werden sollen.
Aktualisiert: 2023-04-17
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In modern gas turbines, the film cooling technology is essential for the protection of the hot parts, in particular of the first stage vanes and blades of the turbine, against the hot gases from the combustion process in order to reach an acceptable life span of the components. As the cooling air is usually extracted from the compressor, the reduction of the cooling effort would directly result in increased thermal efficiency of the gas turbine. Understanding of the fundamental physics of film cooling is necessary for the improvement of the state-of-the-art. Thus, huge research efforts by industry as well as research organizations have been undertaken to establish high efficient film cooling technologies. Today it is common knowledge that film cooling effectiveness degradation is caused by secondary flows inside the cooling jets, i.e. the Counter-Rotating Vortices (CRV) or sometimes also called kidney-vortices, which induce a lift-off of the jet. Further understanding of the secondary flow development inside the jet and how this could be influenced, has led to hole configurations, which can induce Anti-Counter-Rotating Vortices (ACRV) in the cooling jets. As a result, the cooling air remains close to the wall and is additionally distributed flatly along the surface. Beside different other technologies, the NEKOMIMI cooling technology is a promising approach to establish the desired ACRVs. It consists of a combination of two holes in just one configuration so that the air is distributed mainly on two cooling air streaks following the special shape of the generated geometry. The NEKOMIMI cooling holes outperformes the conventional cylinder an shaped holes regarding the overall film cooling effectiveness by more than 40%.
Aktualisiert: 2020-12-08
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Schon seit Jahrzehnten verfolgt die Gasturbinenforschung das Ziel Primärenergieträger in elektrische Energie mit einem hohen Wirkungsgrad zu wandeln. Zusätzlich zur hohen Effizienz müssen Gasturbinen in der heutigen Zeit auch in der Lage sein, unter flexibler Last zuverlässig zu funktionieren. Durch den Einfluss von dezentraler Energiewandlung aus erneuerbaren Quellen ist das elektrische Netz immer größeren Schwankungen ausgesetzt. Dies wirkt sich vor allem auf die hoch belasteten Oberflächen der ersten Leitschaufelreihe aus, die mit möglichst wenig Luft bei unterschiedlichen Betriebspunkten zuverlässig gekühlt werden müssen. Das Kühlsystem und speziell die Filmkühlung nimmt deshalb bei der Forschung über Gasturbinen eine Schlüsselrolle ein.
Bei der Entwicklung von neuen Kühlungstechnologien kann aus Kostengründen im universitären Umfeld keine reale Gasturbine für Testläufe verwendet werden. In einem Komponententest wird die Gasturbine bei reduzierten Druck- und Temperaturbedingungen mit einer Kaskade modelliert. Durch die Einhaltung von dimensionslosen Kennzahlen können die Ergebnisse jedoch direkt auf den realen Fall appliziert werden. Eine gesuchte Größe ist die Wärmebelastung, die mit einem Modell auf die realen Bedingungen umgerechnet werden kann. Das Potential zur Reduzierung des Modellfehlers bei Versuchen mit hohem Druck und hoher Temperatur wird in dieser Arbeit erläutert. Bei einer exakten Vorhersage der Belastung kann im Rückschluss die Kühlluft effizienter eingesetzt werden. Auf dieser Basis wird die Realisierung mit einem Heißgasprüfstand am Lehrstuhl für Strömungsmechanik und Strömungsmaschinen der Technischen Universität Kaiserslautern gezeigt.
Aktualisiert: 2020-12-08
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Abstract Moderne Flugtriebwerke zeichnen sich heutzutage durch eine hohe Leistungsdichte bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad aus. Damit einher gehen hohe aerodynamische und thermische Belastungen der Hochdruckturbine. Heißgas mit Temperaturen von bis zu 2000 K umströmt dabei die Turbinenschaufeln mit Strömungsgeschwindigkeiten, die bis in den Überschall reichen. Um ein strukturelles Versagen zu verhindern, werden daher die dem Heißgas ausgesetzten Komponenten mit Luft aus dem Verdichter filmgekühlt. Einer konservativen Auslegung der Bauteilkühlung stehen allerdings Einbußen im thermischen Wirkungsgrad gegenüber, die aus dem übermäßigen Kühlluftverbrauch resultieren. Eine Annäherung an die maximale Materialtemperatur ist demzufolge anzustreben. Zu erreichen ist dies aber nur, wenn die Kühlwirkung hinreichend gut vorhergesagt werden kann. Während für subsonische Strömungen bereits Auslegungswerkzeuge existieren, ist die Auswirkung von Überschallphänomenen auf die Filmkühlung transsonischer Turbinen bislang nur unzureichend charakterisiert. Die vorliegende Arbeit widmet sich daher der Fragestellung, inwiefern die Interaktion eines sich im Überschall bildenden schrägen Verdichtungsstoßes mit einem Kühlfilm Einfluss auf die Kühlung hat. Zentrale Messtechnik zur Charakterisierung des Wärmeübergangs ist die Infrarotthermographie. In dieser Arbeit wurde hierzu eine robuste Kalibriermethodik entwickelt, um Temperaturverteilungen bei den im Experiment vorherrschenden Wärmeströmen bestimmen zu können. Eine Temperaturkalibrierung ist damit selbst dann noch möglich, wenn Stützstellen nicht über den kompletten Temperaturbereich zur Verfügung stehen. Des Weiteren wurde die Signalaufbereitung des Infrarotsystems grundlegend überarbeitet, wodurch nun nahezu beliebige Temperaturspannen innerhalb einer Infrarotaufnahme erfasst werden können.
Aktualisiert: 2022-12-21
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