Grundlegende Untersuchungen des Wärmeübergangs und der turbulenten Strömung in konvektionsgekühlten Gasturbinenschaufeln

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Jeschke
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 268575329

Moderne stationäre Gasturbinen mit höchsten Wirkungsgraden erreichen Turbineneintrittstemperaturen von bis zu 1500°C, wohingegen die eingesetzten Hochtemperaturwerkstoffe heutiger Gasturbinen Heißgastemperaturen von maximal 1000°C tolerieren. Diese Temperaturdifferenz kann nur durch Kühlung der thermisch belasteten Bauteile, vor allem der Turbinenschaufel überwunden werden. Da die Kühlluft dem Verdichter entnommen wird und somit nicht mehr für die Verbrennung und für die Expansion in der ersten Turbinenstufe zur Verfügung steht, führt eine Erhöhung des Kühlluftmassenstroms wiederum zu Gesamtwirkungsgradeinbußen. Demzufolge zielt man darauf ab, den Kühlluftmassenstrom soweit wie möglich zu senken und die abgezapfte Kühlluft möglichst effizient einzusetzen.Die Zielsetzung dieses Projektes ist die Erforschung der komplexen Strömungen und Wärmeübergänge innerhalb konvektionsgekühlter Gasturbinenschaufeln.Das primäre Ziel des beantragten Vorhabens ist, ein gekoppeltes experimentelles und numerisches Verfahren, welches abschnittsweise genaue integrale Wärmeübergangsdaten der Kühlkanäle nutzt und das in einer späteren industriellen Umsetzung eine deutlich verlässlichere Vorhersage des Wärmeübergangs ermöglicht, zumindest exemplarisch bereitzustellen.Hierzu besteht ein Teilziel darin, die Ungenauigkeiten, die bei der Verwendung von klassischen Wärmeübergangskorrelationen für die Kühlkanäle innerhalb von FEM basierten Methoden entstehen, zu quantifizieren. Deshalb sollen im beantragten Vorhaben detaillierte Traversierungen des Strömungs- und Temperaturfeldes jeweils in der Zu- und Abströmung der Turbulatoren und Umlenkungen einer realen Kühlkanalgeometrie durchgeführt werden. Dadurch können die einzelnen Einflüsse der Turbulatorenabschnitte sowie deren Reihenschaltung untersucht werden. So können und sollen die klassischen Korrelationen, welche aus Experimenten an vereinfachten Geometrien stammen, mit dem integral vermessenen Wärmeübergang eines realen Kühlkanals verglichen werden.Ein weiteres Teilziel ist es, die Eignung des gesamten FEM basierten Verfahrens mit abschnittsweisen genauen Wärmeübergangskorrelationen zu bewerten. Zu diesem Zweck sollen die numerischen Ergebnisse des FEM basierten Verfahrens mit den Messergebnissen unter den gesamtheitlichen und realen Bedingungen in einem Heißgasgitterprüfstand verglichen werden.Zuletzt sollen mit dem beantragten Vorhaben zu unserem Wissen erstmalig alle drei Bestandteile eines FEM Verfahrens unter gleichen Bedingungen und damit unmittelbar vergleichbar untersucht und in der Literatur bereitgestellt werden: a) die genau vermessene Kühlkanalgeometrie im Kaltluftprüfstand, b) die FEM Methode mit den entsprechenden Wärmübergangskorrelationen und c) die Validierung unter realen Heißgasbedingungen. So werden die naturgemäß unterschiedlichen Stärken dieser Bestandteile zu einem integralen Ergebnis zusammengeführt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen