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Untersuchung des Wärmeübergangs in einem Strömungskanal einer Gasturbinenschaufel
(2005) Amro, Mahmoud; Weigand, Bernhard (Prof. Dr.–Ing. habil. )
Die Kühlung der ersten Stufen von Hochdruckturbinen stellt die anspruchsvollsten Teilgebiete bei der Kühlung von Gasturbinen dar. Die Anforderung nach hohen Turbineneintrittstemperaturen setzt insbesondere die erste Stufe der Turbinenschaufeln enormen thermischen Belastungen aus. Eine Senkung der Oberflächentemperaturen der Schaufel von ca. 10K kann die Lebensdauer der Schaufeln nahezu verdoppeln. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der konvektive Wärmeübergang einer internen Strömung experimentell untersucht. Aufgabe war es durch die richtige Wahl von Rippenkonfigurationen im Strömungskanal Sekundärströmungen und Verwirbelungen zu erzeugen, mit der Ziel, eine Geometrieoptimierung derart durchzuführen, dass Wärmeübergang und Druckverlust in einem ausgewogenen Verhältnis zueinander stehen. Zur Auswertung des Wärmeübergangs wurde eine transiente Messmethode mit thermochromatischen Flüssigkristallen TLC benutzt. Die Versuche wurden bei Reynolds-Zahlen von 30000 bis 200000 durchgeführt. Bei den untersuchten Geometrien handelt es sich um verschiedene Rippenanordnungen, Anstellwinkel g [g={45°; 60°, 135°}], Rippenabstand P zu Rippenhöhe e [P/e = {10; 15; 20}], Rippenhöhe e zu Kanalhöhe H [e/H ={0,10; 0,15; 0,167}]. Unter Berücksichtigung der experimentellen Daten wurden Korrelationen für den Wärmeübergang und die Reibungsverhältnisse aufgestellt. Die erzielten Ergebnisse wurden mit Literaturangaben und numerischen Berechnungen verglichen. Mit den Ergebnissen aus der untersuchten Rippenvariationen kann numerische Modelle erstellt werden, mit denen ohne größeren Aufwand verschieden Konfigurationen und Variationen der Rippen untersucht werden können. Als Ergebnis konnten optimale Geometrien hinsichtlich des Wärmeübergangs und der Reibungsverhältnissen ermittelt werden und Korrelationsgleichungen aufgestellt werden. Die experimentellen Untersuchungen haben insgesamt die bedeutende Rolle der Rippen zur Intensivierung von Wärmeübergang im Vergleich zu der glatten Kanal gezeigt.