completed Doctorates & Habilitations
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Experimentelle Untersuchungen zur Effusionskühlung an Gasturbinenschaufeln
Art der Abschlussarbeit
Dissertation
Autoren
- Keyser, Jens
Betreuer
- Prof. Dr.-Ing. Uwe Gampe
Abstract
Die weitere Entwicklung der Gasturbine stellt die Forderung, bei der Steigerung des Wirkungsgrades bzw. der Leistung mit weniger Kühlluft solche Bauteiltemperaturen zu gewährleisten, welche die vorgeschriebene Lebensdauer nicht beeinträchtigen. Diese Vorgabe ist nur mit neuen Kühlkonzepten zu erreichen. Die Effusionskühlung ist derzeit das einzige technisch realisierbare Kühlverfahren mit der effektivsten Nutzung des eingesetzten Kühlmediums. Trotz verschiedenster Untersuchungen zur Film- und Effusionskühlung gibt es noch Klärungsbedarf über den Einfluss der saug- und druckseitigen Krümmung auf die zu erwartenden Kühlwirkung und den Aufbau des Kühlfilms.
Diese offenen Punkte wurden in der Arbeit aufgegriffen und in folgender Zielstellung definiert:
Durchführung experimenteller wärmetechnischer Untersuchungen an einem realen Schaufelprofil mit technisch sinnvoller Bohrungsgeometrie
Realisierung realitätsnaher Strömungs- und Wärmeübergangsbedingungen in einem Heißgasprüfstand
Darstellung der gesamten an der Wärmezuführung beteiligten einzelnen Wärmeströme
Ermittlung des Krümmungseinflusses der Saug- und Druckseite auf die Gesamtkühleffektivität, die Filmkühleffektivität und den Wärmeübergangskoeffizienten in Abhängigkeit der Bohrungsgeometrie und der Ausblasrate
Aussagen zum Kühlluftverbrauch in Abhängigkeit vom Temperaturniveau und der Bohrungsgeometrie.
Für die experimentellen Untersuchungen standen drei Schaufelprofile mit unterschiedlicher Kühlwirkung zur Verfügung. Das war eine konvektiv gekühlte Schaufel und zwei effusionsgekühlte Schaufeln mit Bohrungen (B = 0.55 mm) unter einem Winkel von 30° und 90°. Die konvektiv gekühlte Schaufel bildete die Basis für die Vergleichsbetrachtungen.
Zur Messung der Oberflächentemperatur der Schaufelprofile kam bei Heißgastemperaturen von 650°C das berührungslose Temperaturmessverfahren der Infrarotthermografie zum Einsatz.
Die durchgeführten Auswertungen zeigten deutlich unterschiedliche Verläufe für die Gesamtkühleffektivität (ges) und die adiabate Filmkühleffektivität (AW) in Abhängigkeit von der Schaufelseite. Die Gesamtkühleffektivität betrachtet die Gesamtheit der Kühlanteile (innere konvektive Kühlung in den Kanälen und den Bohrungen und äußerer Kühlfilm), die adiabate Filmkühleffektivität betrachtet nur die Kühlwirkung durch den Kühlfilm.
Mit der Anpassung der geometrischen Gestaltung der Effusionskühlung kann der unter-schiedlichen Schaufelkrümmung und damit der unterschiedlichen Kühlwirkung der jeweiligen Schaufelseite Rechnung getragen werden.
Diese offenen Punkte wurden in der Arbeit aufgegriffen und in folgender Zielstellung definiert:
Durchführung experimenteller wärmetechnischer Untersuchungen an einem realen Schaufelprofil mit technisch sinnvoller Bohrungsgeometrie
Realisierung realitätsnaher Strömungs- und Wärmeübergangsbedingungen in einem Heißgasprüfstand
Darstellung der gesamten an der Wärmezuführung beteiligten einzelnen Wärmeströme
Ermittlung des Krümmungseinflusses der Saug- und Druckseite auf die Gesamtkühleffektivität, die Filmkühleffektivität und den Wärmeübergangskoeffizienten in Abhängigkeit der Bohrungsgeometrie und der Ausblasrate
Aussagen zum Kühlluftverbrauch in Abhängigkeit vom Temperaturniveau und der Bohrungsgeometrie.
Für die experimentellen Untersuchungen standen drei Schaufelprofile mit unterschiedlicher Kühlwirkung zur Verfügung. Das war eine konvektiv gekühlte Schaufel und zwei effusionsgekühlte Schaufeln mit Bohrungen (B = 0.55 mm) unter einem Winkel von 30° und 90°. Die konvektiv gekühlte Schaufel bildete die Basis für die Vergleichsbetrachtungen.
Zur Messung der Oberflächentemperatur der Schaufelprofile kam bei Heißgastemperaturen von 650°C das berührungslose Temperaturmessverfahren der Infrarotthermografie zum Einsatz.
Die durchgeführten Auswertungen zeigten deutlich unterschiedliche Verläufe für die Gesamtkühleffektivität (ges) und die adiabate Filmkühleffektivität (AW) in Abhängigkeit von der Schaufelseite. Die Gesamtkühleffektivität betrachtet die Gesamtheit der Kühlanteile (innere konvektive Kühlung in den Kanälen und den Bohrungen und äußerer Kühlfilm), die adiabate Filmkühleffektivität betrachtet nur die Kühlwirkung durch den Kühlfilm.
Mit der Anpassung der geometrischen Gestaltung der Effusionskühlung kann der unter-schiedlichen Schaufelkrümmung und damit der unterschiedlichen Kühlwirkung der jeweiligen Schaufelseite Rechnung getragen werden.
Berichtsjahr
2004
This information is provided by FIS.
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