Die Hochdruckturbine eines Triebwerks oder einer stationären Gasturbine ist hohen thermischen Belastungen ausgesetzt und effiziente Kühltechniken müssen angewendet werden, um die Metalkomponenten vor Schaden zu bewahren. Bei einer fortschrittlichen Turbinenauslegung wird versucht, die aerodynamische Belastung der Schaufel zu erhöhen, um die Anzahl der Schaufeln pro Stufe zu verringern. Dies kann die benötigte Kühlluftmenge und das Gewicht des Triebwerks verringern, was den Wirkungsgrad der Turbomaschine erhöht, aber starke Strömungsablösung kann die positiven Effekte aufwiegen, was die erreichbare aerodynamische Schaufelbelastung limitiert. In dieser Arbeit werden experimentelle und numerische Analysen mit zwei linearen Hochdruckturbinen-Gittern vorgestellt. Die Schaufeln sind filmgekühlt und wurden mit der Absicht ausgelegt, eine massive Ablösung an der Druckseite und für die zweite Schaufel an der Saugseite zu erzielen. Die Schaufel für die saugseitigen Studien ist mit wirbelerzeugenden Luftstrahlen ausgelegt, um der Strömungsablösung entgegenzuwirken. Die Experimente umfassen die Messung der Schaufelbelastung und der Totaldruckverluste, Visualisierung der wandnahen Strömung und Schlierenaufnahmen bei maschinenähnlichen Mach- und Reynolds-Zahlen. Des Weiteren wurden der Wärmeübergang und die adiabate Filmkühleffektivität an beiden Kaskaden ausführlich gemessen. Numerische Analysen mit Standard-RANS-Verfahren und aufwendigeren Modellen, Detached Eddy Simulation (DES) und Large Eddy Simulation (LES), veranschaulichen die Anwendbarkeit der Simulationswerkzeuge für solche Strömungen. Die Oberflächentemperatur wird mit thermochromatischen Flüssigkristallen gemessen. Es werden ausführliche Untersuchungen zur Sensitivität der Kristalle auf die Variation des Beobachtungs- und Beleuchtungswinkels durchgeführt und es wird eine Methode gezeigt, die es erlaubt die aufgenommene Farbe für schräge Inzidenz der Kamera- oder Beleuchtungsachse zu korrigieren. Ein Verfahren zur Nachbearbeitung der Messergebnisse wird vorgestellt das FE-Methoden nutzt, um die adiabate Wandtemperatur auf einer Plexiglasschaufel zu berechnen. Obwohl Plexiglas eine geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt, ist dennoch ein Wärmestrom vorhanden und die FE-Analyse erhöht die Genauigkeit der Messungen beträchtlich. Darüber hinaus wird eine neue Formulierung vorgeschlagen, um die gesamte Filmkühleffektivität zu bestimmen. Während in den Experimenten der Wärmeübergang und die adiabate Filmkühleffektivität getrennt gemessen werden, treten beide Effekte in der Maschine gleichzeitig auf. Der vorgeschlagene Parameter bewertet die Filmkühleffektivität bei vorhandenem Wärmestrom in die Schaufel und erlaubt es, den Filmkühleffekt auf die lokale Wandtemperatur besser zu bestimmen. Die Ergebnisse für die Druckseite zeigen, dass es sich als schwierig erweist eine effiziente Filmkühlwirkung zu erzielen, wenn die Veränderung des lokalen Wärmeübergangs in betracht gezogen wird. Die numerischen Modelle zeigen Defizite bei der Voraussage aller Strömungsphänomene in der Ablösezone. Auf der Saugseite kann die Strömungsablösung effektiv unterdrückt und eine gute Filmkühleffektivität kann erzielt werden.    «

Die Hochdruckturbine eines Triebwerks oder einer stationären Gasturbine ist hohen thermischen Belastungen ausgesetzt und effiziente Kühltechniken müssen angewendet werden, um die Metalkomponenten vor Schaden zu bewahren. Bei einer fortschrittlichen Turbinenauslegung wird versucht, die aerodynamische Belastung der Schaufel zu erhöhen, um die Anzahl der Schaufeln pro Stufe zu verringern. Dies kann die benötigte Kühlluftmenge und das Gewicht des Triebwerks verringern, was den Wirkungsgrad der Turbo...    »