Untersuchungen zum Einfluss der Zyklonkühlung in einer Turbinenschaufel auf die adiabate Filmkühleffektivität

Steigende Turbineneintrittstemperaturen, die Forderung nach einem möglichst geringen Kühlluftmassenstrom sowie zunehmende Temperaturen der Kühlluft selbst, stellen die Kühlsysteme von Turbinenschaufeln in Flugtriebwerken vor stetig wachsende Anforderungen. Das Ziel interner Kühlmethoden ist, einen möglichst hohen Wärmeübergang zu erreichen. Die sogenannte Zyklonkühlung, welche bisher in Flugtriebwerken noch nicht eingesetzt wird, weist dahingehend ein großes Potenzial auf. Hierbei wird dem Kühlfluid im schaufelinternen Kühlkanal ein Drall aufgeprägt. Die hieraus entstehenden, hochkomplexen internen Strömungsphänomene können sich jedoch negativ auf das Verhalten der externen Schaufelkühlung, der sog. Filmkühlung auswirken, und im Gesamtkühlkonzept der Turbinenschaufel eine interne Verbesserung zunichte machen. Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, diese Auswirkungen der Zyklonkühlung auf die Filmkühlung zu untersuchen. Somit werden der Entwicklung wichtige, auslegungsrelevante Grundlagen und Randbedingungen zukünftiger Kühlungssysteme zur Verfügung gestellt. Hierfür wird auf der Oberfläche eines symmetrischen Turbinenschaufelmodells mit einer Reihe von acht zylindrischen Filmkühlbohrlöchern die adiabate Filmkühleffektivität vermessen, wobei der zylindrisch ausgestaltete Vorderkantenkanal mit verschiedenen Strömungsformen beaufschlagt wird. Während eine rein axiale Durchströmung als Referenz dient, liegt die Aufmerksamkeit auf drallbehafteten Strömungen, welche durch unterschiedliche Drallerzeugerarten generiert werden. Variiert werden jeweils die Drallrichtung sowie die dimensionslosen Kennzahlen: globale Ausblaserate und globale Filmkühlabnahme. Die adiabate Filmkühleffektivität wird mittels der hier weiterentwickelten, Online-kalibrierten Ammoniak-Diazo-Technik vermessen. Zusätzlich werden Strömungsvermessungen im Zyklonkanal und am Austritt der Filmkühlbohrungen sowie numerische Simulationen in den Bohrungen durchgeführt. Hiermit wird versucht, den Ursprung der an der Schaufel"-oberfläche auftretenden Phänomene zu ergründen. Die Werte der adiabaten Filmkühleffektivität weisen eine hohe Abhängigkeit von der Drallsituation im Zyklonkanal auf. Im Speziellen bestimmt die Einströmsituation am Filmkühlbohrlocheintritt die Bildung von bohrungsinternen Ablöseblasen, bzw. Rückströmzonen, was wiederum die Geschwindigkeitsverteilung des Kühlfluids am Bohrungsaustritt beeinflusst. Durch Übergeschwindigkeiten aufgrund eines inhomogenen Ausströmprofils, dringt das Kühlfluid stärker in die Hauptströmung ein und die Kühlwirkung an der Schaufeloberfläche lässt nach. Dies ist vor allem bei hohen Umlenkwinkeln am Ort der Einströmung in die Filmkühlbohrung sowie bei niedriger Filmkühlabnahme zu beobachten. Durch eine symmetrische Anbringung einer weiteren Bohrungsreihe wird die Interaktion zweier Drallorientierungen untersucht. Die unterschiedliche interne Versperrung der Filmkühlbohrlöcher durch Rückströmzonen, aufgrund der verschiedenen Zuströmwinkel, bewirkt eine druckverlustinduzierte Massenstromverschiebung. Somit ändern sich die bohrlochspezifischen Ausblaseraten um bis zu 50% gegenüber der globalen Ausblaserate. Dies hat wiederum eine Variation der Eindringtiefe des Kühlfluids in die Hauptströmung und hieraus folgend eine unterschiedliche Kühlwirkung an der Oberfläche zur Folge