Experimentelle Wärme-, Stoffübergangsuntersuchungen an einem rotierenden Kühlkanalmodell mit Rippen

Die Innenkühlung der Schaufeln ist ein wesentliches Merkmal der Kühlung von thermisch hochbelasteten Turbinenstufen. Angestellte Rippen und 180°-Krümmer, sowie zusätzliche Volumenkräfte durch Rotation, beeinflussen das Strömungs- und Temperaturfeld in den Innenkühlkanälen. Mit dieser Arbeit soll ein Beitrag zum besseren Verständnis der Wirkung des komplexen Strömungsfeldes auf den Wärme-/Stoffübergang aller vier Wände eines quadratischen Kanals geleistet werden. Es werden zunächst die Grundlagen der Innenkühlung beschrieben und die, für diese Arbeit relevanten, Ursachen für die charakteristischen Sekundärbewegungen in Innenkühlsystemen erläutert. Für die experimentellen Untersuchungen wurde ein bestehender Prüfstand mit neuer Messtechnik und neuem Rotor mit Modell ausgestattet. Als Messverfahren kam die Naphthalin-Sublimationstechnik zum Einsatz, wodurch eine Betrachtung des Einflusses der Corioliskraft auf den lokalen Wärme-/Stoffübergang unabhängig von Auftriebseffekten möglich war. Anhand von Vergleichen mit Literaturangaben konnte die Funktionsfähigkeit bei der Durchführung von stationären, wie auch rotierenden, Versuchen nachgewiesen werden. Während der Versuchsdurchführung wurden drei verschiedene Rippenkonfigurationen, die Reynolds-Zahl sowie die Rotations-Zahl variiert. Die ermittelte Datenbasis wird systematisch analysiert. Dabei wird ein Hauptaugenmerk auf die lokalen Verteilungen der Stoffübergangsergebnisse im Rippenzwischenraum gelegt. Hierbei werden, ausgehend von Literaturangaben bezüglich des Geschwindigkeitsfeldes im stationären Modell, die Ursachen für den im rotierenden Modell gemessenen Wärme-/Stoffübergang erklärt. Des weiteren wird gezeigt, wie verschiedene Eintrittsrandbedingungen in einen rotierenden, berippten Kanal zu unterschiedlichen Resultaten führen können. Abschließend erfolgt eine vergleichende Bewertung der einzelnen Rippenkonfigurationen hinsichtlich des Nutzungsgrades. Anhand der Ergebnisse bleibt festzuhalten, dass die Eintrittsrandbedingungen, der Rippenwinkel und die Wahl der zu berippenden Wand entscheidend für eine optimale Kühlwirkung sind. Der Einfluss der Rotation kann lokal zu hohen Gradienten in der Wandtemperatur führen. Global ist der Corioliskrafteffekt, verglichen mit dem glatten Modell, moderat