Modellierung des Wärmeübergangs komplexer Prallstrahlfelder an Turbinengehäusen

Abstract

Die Auslegung effizienter Flugtriebwerke in allen Betriebspunkten ist eine der zentralen Aufgaben der Luftfahrttechnik. Ein wesentlicher Bestandteil liegt dabei in einer optimalen Kühlung thermisch hochbelasteter Triebwerkskomponenten über den gesamten Zyklus einer Flugmission. Für eine optimale Auslegung der eingesetzten Kühlmechanismen müssen die Wärmeübergangscharakteristika möglichst exakt bekannt sein. Unter diesem Aspekt befasst sich die vorliegende Arbeit mit dem Wärmeübergangsverhalten an Turbinengehäusen. Die Kühlung erfolgt in der realen Anwendung über den Einsatz komplexer Prallstrahlfelder, welche derzeit noch Lücken hinsichtlich der theoretischen Beschreibung aufweisen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Versuchsstand zur experimentellen Untersuchung der komplexen Prallstrahlfelder aufgebaut. Die Bestimmung des Wärmeübergangsverhaltens erfolgt dabei auf Basis der Infrarot-Thermografie. Neben einer experimentellen Betrachtung dienen numerische Simulationen der Untersuchung der Wärmeübergangs- und Strömungscharakteristika. Eine erfolgreiche Validierung des verwendeten numerischen Setups erfolgt anhand von Referenzdaten aus der Literatur. Das experimentelle Setup wird an einem vereinfachten Prallstrahlmodell verifiziert und den numerischen Verläufen gegenübergestellt. In einer zusätzlichen numerischen Studie wird der Einfluss der thermischen Randbedingung auf die Berechnung der Nusseltzahl an der Prallplatte quantifiziert. Mit den Daten dieser Studie wird eine Methode vorgestellt, den zum Teil deutlichen Einfluss der thermischen Randbedingung zu berücksichtigen. Neben der Entwicklung geeigneter Modelle zur Beschreibung des Wärmeübergangs in realen Anwendungen, bei welchen die thermischen Gegebenheiten nicht gänzlich bekannt sind, sind die Erkenntnisse essentiell für die Betrachtung des Wärmeübergangs an dem in dieser Arbeit betrachteten Modell eines komplexen Prallstrahlfeldes.