Optimierung der Filmkühlung

Das Prinzip der Filmkühlung in Flugtriebwerken und stationären Gasturbinen ermöglicht maßgeblich die hohen Brennkammer- und Turbineneintrittstemperaturen von bis zu 2000K. Eine stetige Verbesserung der Filmkühlung ermöglicht daher weiter steigende Turbineneintrittstemperaturen und trägt so zur Steigerung des thermischen Wirkungsgrades bei. Bei der Filmkühlausblasung entsteht am Eintritt in die Filmkühlbohrung, sowie in der Bohrung, als auch an deren Austritt Strömungsablösungen, komplexe Wirbelsysteme und Scherschichten, welche die Effektivität der Filmkühlausblasung enorm beeinflussen. Abhängig vom Betriebspunkt der Gasturbine, also den kühlluft- und heißgasseitigen Strömungsbedingungen, sowie der Position der Bohrung in der Schaufelgeometrie, stellen sich so für die gleiche Bohrungsgeometrie sehr unterschiedliche aero-thermische Zustände ein.

Zum besseren Verständnis des aero-thermischen Verhaltens unterschiedlicher Bohrungsgeometrien und der Kühlluft-Heißgasinteraktion am Kühlluftbohrungsaustritt werden am Institut für Thermische Strömungsmaschinen (ITS) experimentelle Untersuchungen (am Filmkühlversuchsstand, Fraas et al. [1]) durchgeführt. Mittels Stereo Particle Image Velocimetry (SPIV), einer laseroptischen Messtechnik, können alle Geschwindigkeitskomponenten in einer Messebene - beispielsweise im Interaktionsbereich zwischen Kühlluft und Heißgas - bestimmt werden. Darüber hinaus wird die Infrarotthermografie (IRT) zur Ermittlung der Temperaturverteilung stromab der Filmkühlbohrung angewandt. Durch Anwendung des Superpositionsprinzips nach Choe et al. [2]  können mittels zweier Messungen unterschiedlicher thermischer Randbedingungen so die Filmkühlgrößen „adiabate Filmkühleffektivität“ und „Wärmeübergangskoeffizient mit Filmkühlung“ ermittelt werden.

Ziele im Forschungsbereich Filmkühlung am ITS

• Identifikation dominierender Strömungsstrukturen der Kühlluft-Heißgasinteraktion (z. B. mittels Methoden der Dimensionsreduktion, POD, DMD)
• Robuste Auslegung von Filmkühlbohrungsgeometrien
• Weiterentwicklung zuverlässiger und präziser Messtechnik zur Bestimmung der abgeleiteten Filmkühlgrößen und des Strömungsfeldes

Filmkühleffektivitäten aus Messungen mittels IRT

Die adiabate Filmkühleffektivität dient (in Kombination mit dem Wärmeübergangskoeffizienten mit Filmkühlung) der Bewertung unterschiedlicher Bohrungsgeometrien im Vergleich zueinander. Dargestellt ist die adiabate Filmkühleffektivität flächig stromab der Ausblasestelle (links) für eine hohe Kühlluftkanalreynoldszahl, sowie eine laterale Verteilung der Effektivität (mittig) und der lateral gemittelte Verlauf der Filmkühleffektivität entlang der Strömungsrichtung stromab der Ausblasestelle (rechts) für jeweils eine hohe und eine niedrige Kühlluftkanalreynoldszahl. Bei der Bohrung handelt es sich um eine klassische Diffusorbohrung bei Kühlluftquerströmung orthogonal zum Heißgas. Der "Filmkühlabdruck" ist daher asymmetrisch und variiert stark in Abhängigkeit von der Ausblaserate (M) und Kühlluftkanalreynoldszahl (Fraas 2019 [3]).

Geschwindigkeitsfelder aus Messungen mittels SPIV

Der über SPIV ermittelte Betrag der mittleren Absolutgeschwindigkeit in der wandnormalen Ebene in Strömungsrichtung mittig über dem Bohrungsaustritt ist im Bild für die Ausblaserate M = 3 dargestellt. Durch die Analyse aller Geschwindigkeitskomponenten können stationäre Wirbelsysteme sowie instationäre Wirbelsysteme nachgewiesen werden.

Quellen:

[1] Fraas, M., Glasenapp, T., Schulz, A., and Bauer, H.J., 2017. “Introducing a New Test Rig for Film Cooling Measurements with Realistic Hole Inflow Conditions”. In Proceedings of ASME Turbo Expo 2017, no. GT2017-63585. ISBN 978-0-7918-5089-3

[2] Choe, H., Kays, W. M., and Moffat, R. J., 1974. “The Superposition Approach to Film-Cooling”. In Proceedings of ASME Winter Annual Meeting 1974.

[3] Fraas, M., 2019: Der Einfluss der Eintrittsgeometrie auf die Kühlwirkung einer konturierten Filmkühlbohrung mit kühlluftseitiger Queranströmung, Bd. 78 von Forschungsberichte aus dem Institut für Thermische Strömungsmaschinen / Universität Karlsruhe (TH). Logos-Verlag, Berlin. ISBN 9783832549701.