Überblick
Die Abgasemissionen von Gasturbinen konnten in den vergangenen Jahren durch die Einführung neuer Verbrennungstechnologien, wie z. B. der mageren Vormischverbrennung, deutlich gesenkt werden. Diese Technologien führen jedoch zu deutlich gleichförmigeren Temperaturprofilen am Brennkammeraustritt und so zu einer deutlichen Zunahme der thermischen Belastung der Schaufelseitenwände, insbesondere in der ersten Turbinenleitreihe.
Am Institut für Thermische Strömungsmaschinen werden deshalb an einem Kaskadenprüfstand experimentell neue Filmkühlkonzepte zur Kühlung von Schaufelseitenwänden untersucht. Aufgrund des komplexen Strömungsfelds in einer Schaufelpassage werden neben thermischen Messungen auch aerodynamische Untersuchungen durchgeführt. Mithilfe der Infrarotthermographie (IRT) wird die Temperaturverteilung auf der Schaufelseitenwand hochaufgelöst gemessen. Mit der Anwendung des Superpositionsprinzips nach Choe et al. [1] und zweier Messungen bei unterschiedlichen thermischen Randbedingungen können sowohl die „adiabate Filmkühleffektivität“ als auch der „Wärmeübergangskoeffizient mit Filmkühlung“ flächig aufgelöst bestimmt werden. Zur aerodynamischen Charakterisierung kommen laseroptische Methoden, wie die Laser-Doppler-Anemometrie (LDA), zum Einsatz, welche eine räumlich und zeitlich aufgelöste Erfassung des Strömungsfelds ermöglichen.
Ziele im Forschungsbereich Filmkühlung von Schaufelseitenwänden am ITS
- Entwicklung neuer Methoden und Konzepte zur Filmkühlung von Schaufelseitenwänden
- Aerodynamische und thermische Bewertung dieser Konzepte
- Weiterentwicklung der Messtechnik und Auswertemethodik zur präzisen und robusten Bestimmung der Filmkühlgrößen
Filmkühlgrößen aus Messungen mittels IRT auf Schaufelseitenwänden
Sowohl die adiabate Filmkühleffektivität (links dargestellt) als auch der Wärmeübergangskoeffizient mit Filmkühlung (rechts dargestellt) werden zur vollständigen Bewertung eines Filmkühlkonzepts benötigt. Die exemplarisch dargestellten Ergebnisse von Kneer [2] zeigen diese Größen für eine Seitenwand welche zum einen durch eine Spaltausblasung stromauf der Schaufelpassage und zum anderen durch lokale Kühlluftausblasung (Filmkühlbohrungen in den weiß dargestellten Elementen auf der Seitenwand) gekühlt wird. Es lässt sich erkennen, dass der initiale Startkühlfilm durch die lokale Ausblasung „aufgefrischt“ wird. Der Wärmeübergang ist insbesondere stromab der lokalen Ausblasungen sehr hoch.
Geschwindigkeitsfelder aus LDA
Mittels eines 3-Komponenten LDAs ist es möglich das Strömungsfeld in einer Schaufelpassage örtlich und zeitlich aufgelöst aufzunehmen. Dargestellt ist der experimentelle Aufbau (links) mit den 3 Laserstrahlpaaren welche sich im Messpunkt kreuzen. Die Messdaten (rechts) zeigen das Geschwindigkeitsfeld stromab der Schaufelpassage (Schmid et al. [3]). Anhand von diesen Daten lässt sich das Wirbelsystem in einer Schaufelpassage analysieren. In Kombination mit den thermischen Daten lassen sich so detaillierte Einblicke in das aero-thermische Verhalten eines Filmkühlkonzepts erzielen.
Quellen:
[1] Choe, H., Kays, W. M., and Moffat, R. J., 1974. “The Superposition Approach to Film-Cooling”. In Proceedings of ASME Winter Annual Meeting 1974.
[2] Kneer, J. (2017): Zur Interaktion von Filmkühlung und Heißgasströmung auf konturierten Turbinenseitenwänden. Dissertation. Karlsruher Institut für Technologie KIT, Karlsruhe. Institut für Thermische Strömungsmaschinen ITS.
[3] Schmid, J.; Schulz, A.; Bauer, H.-J. (2018): Influence of a Non-Axisymmetric Endwall on the Flow Field in a Turbine Passage. High-Resolution LDV. Presented at the ASME Turbo Expo 2018: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, June 11-15, 2018, Oslo, Norway. V02BT41A001.