Systematische Untersuchungen an einer film-gekühlten Turbinenplattform mit anschließen-der Optimierung der Ausblasekonfiguration

Kurzfassung

Im Rahmen des AG-Turbo Verbundprojekts „500 MW auf einer Welle“ (Phase 2) wurden im Vorhaben 2.2.2 umfangreiche Untersuchungen zum Thema Plattformkühlung durchgeführt. Diese Thematik hat auf Grund der immer weiter steigenden Turbineneintrittstemperaturen, die zu einer Leistungssteigerung beitragen, einen hohen Stellenwert. Allerdings müssen dann wegen der hohen Fluidtemperaturen auch die Plattformen der ersten Stufe gekühlt werden. Die Steigerung des Gesamtwirkungsgrades von Gasturbinen steht in einem engen Zusammenhang mit der Optimierung des Kühldesigns in Hochdruckturbinen. Um dieses Ziel zu erreichen werden umfassende Kenntnisse über Phänomene der Filmkühlung an der Plattform benötigt. Ausgehend von einer maschinenrelevanten Kühlkonfiguration, die im AG-Turbo Turbotech II Vorhaben 1.327 untersucht wurde, wurde ein verbessertes Kühldesign definiert und im Windkanal untersucht; nach einer Optimierung der Ausblasekonfiguration wurden erneut die themodynamischen Parameter bestimmt. Das Infrarot-Messverfahren zur Bestimmung der Wärmeübergangs- und Kühleffektivitätskoeffizienten, das im Vorhaben 1.327 entwickelt wurde, konnte als etablierte Messtechnik zur Optimierung der Kühlkonfiguration eingesetzt werden. Das genaue und flexible Messverfahren hat sich auch im „Serienbetrieb“ gut bewährt. Die Messungen wurden im Windkanal für ebene Gitter, Göttingen, durchgeführt. Zur Bestimmung der aerodynamischen Parameter konnten die weitgehend standardisierte Sonden- und L2F-Messtechnik eingesetzt werden. Zur Bestimmung der thermodynamischen Größen wurde das Infrarot-Messverfahren erfolgreich eingesetzt. Aus aerodynamischer Sicht hat sich die Anordnung des Schlitzes stromauf des Sattelpunktes in Verbindung mit den relativ geringen Ausblasemengen bewährt; der Hufeisenwirbel wird nicht angefacht, so dass dadurch weiter stromab keine erhöhten Wärmeübergänge induziert werden. Die L2F-Messungen (Geschwindigkeit und Richtung) tragen zur Bestimmung der Strukturen des Sekundärströmungsfeldes bei und geben Hinweise wie die ausgeblasene Luft transportiert wird (Konzentrationsmessungen). Die Infrarot-Messungen zeigen, dass der gesamte druckseitige Bereich der Passage nur unzureichend gekühlt werden kann (Modell 1). Die Trennfuge hat praktisch keinen Einfluss auf das Strömungsfeld. Auf der Basis dieser Ergebnisse konnte eine optimierte Kühlkonfiguration (Modell 2) entworfen werden, mit der (wenigstens) der druckseitige Bereich in der vorderen Hälfte der Passage erheblich besser gekühlt werden kann. Im hinteren Bereich der Passage war die Erhöhung der Kühleffektivität deutlich geringer - insbesondere im unmittelbaren Bereich an der Schaufeloberfläche. Die eingesetzten Rechenverfahren zur Bestimmung des Strömungsfeldes und der optimierten Ausblasekonfiguration liefern gute Vorhersagen, die im Experiment (weitgehend) bestätigt wurden. Die erzielten Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der komplexen Vorgänge bei, die im Sekundärströmungsfeld mit Kühlluftausblasen auftreten. Die umfangreichen aero- und thermodynamischen Messdaten, die unter definierten (gleichen) Randbedingungen ermittelt wurden, eignen sich sehr gut als Datenbasis zur Validierung von Rechenverfahren.