NUMERISCHE UNTERSUCHUNG DES WÄRMEÜBERGANGS UND DES STRÖMUNGSFELDES EINER GENERISCHEN FILMKÜHLUNGSKONFIGURATION

Kurzfassung

Die Filmkühlung ist eine verbreitete Methode zur Kühlung von thermisch hoch beanspruchten Komponenten einer Turbine. Dazu zählen die Rotor- und Statorschaufeln der ersten Turbinenstufe. In einer Zusammenarbeit der DLR Abteilungen Triebwerksmesstechnik (AT-OTM) und Turbine (AT-TUR) wurden experimentelle und numerische Untersuchungen einer generischen Filmkühlungskonfiguration durchgeführt. Die untersuchte Geometrie und die gewählten Randbedingungen orientieren sich an den Parametern der experimentellen Studie von Thole u. a. [1992]. Dazu wurde ein axialer Bohrungswinkel von 35grad, eine Steigung P von 3 und ein Längen- zu Durchmesserverhältnis L/D von 4 gewählt. Das Impulsverhältnis I wurde auf einen Wert von 0,63 festgelegt, während das Dichteverhältnis DR 0,94 und das Geschwindigkeitsverhältnis V R 0,67 beträgt. Die Mach-Zahl der Hauptströmung Ma∞ wurde konstant auf 0,033 und die Reynolds-Zahl Re_inf auf 5000 gehalten. Im Rahmen dieser Masterarbeit wurde eine ausführliche Literaturrecherche in Bezug auf die experimentelle und numerische Untersuchung der dreidimensionalen Strömungsund Temperaturfelder von Filmkühlungskonfigurationen durchgeführt, welche das aktuelle aero-thermodynamische Verständnis von Filmkühlungen aufzeigt. Des Weiteren fand die numerische Untersuchung basierend auf dem experimentellen Modell statt. Die Randbedingungen wurden dabei gewählt, sodass das Experiment möglichst genau abgebildet wird. Bei dem verwendeten Rechengitter handelt es sich um ein unstrukturiertes Hybridgitter. Das Hauptaugenmerk der Untersuchung liegt darauf, zu bestimmen, ob sich die komplexen Strömungsphänomene mit den in TRACE implementierten RANS-Modellen abbilden lassen. Zudem wurden Variationen der Randbedingungen durchgeführt sowie Modifikationen der Turbulenzmodelle angewendet und miteinander verglichen. Dabei hat sich gezeigt, dass die gemessenen Daten die größte Übereinstimmung mit adiabaten Wänden aufweisen und eine Behandlung der Staupunktanomalie nicht notwendig ist. Die Anwendbarkeit der Modelle Wilcox k-omega, Menter SST und Hellsten EARSM wurde anhand der zur Verfügung gestellten Messdaten und ähnlicher Fälle aus der Literatur überprüft. Die Auswertung hat gezeigt, dass die Simulationen mit Ausnahme des k-omega-Modells in der Lage waren, die Entstehung der Wirbelstrukturen sowie die auftretenden Verluste innerhalb der Kühlluftbohrungen aufzulösen. Diese bereinstimmung trifft auch auf die Austrittskante der Bohrung zu. Die Wirbelstrukturen und das Strömungsfeld weisen auch weiter stromabwärts ähnliche Ausprägungen auf. Zu größeren Abweichungen kam es dagegen bei der lateralen Ausbreitung des Kühlluftfilms. Diese zeigt in den Lösungen der verschiedenen Turbulenzmodelle sichtbare Unterschiede. Zurückzuführen ist dies auf die Interaktion zwischen dem Kühlluftstrahl und der Hauptströmung, welche bekannterweise unterschätzt wird. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass RANS-Modelle generell in der Lage sind, die Strömungsphänomene einer Filmkühlung mit verhältnismäßig geringem Aufwand aufzulösen. Dies ermöglicht es, die experimentelle Untersuchung durch die Daten der Simulation zu ergänzen und ein vollständiges Bild des Strömungs- und Temperaturfeldes der betrachteten Filmkühlung zu erhalten.