Einfluss ausbildender Sekundärströmungen bei Rippenturbulatoren auf den Wärmeübergang im Kühlkanal einer Gasturbinenschaufel

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der experimentellen und numerischen Analyse sich ausbildender Sekundärströmungen in einem konvektiven Kühlsystem einer Gasturbinenschaufel. Der Prozess der Sekundärströmungsausbildung ist vor allem in den ersten Stufen konvektiv gekühlter Gasturbinen von Interesse, da diese die kürzesten Schaufellängen aufweisen und gleichzeitig den höchsten thermischen Lasten ausgesetzt sind.

Im Rahmen der Arbeit werden kombinierte Messungen des Wärmeübergangs und des Strömungsfeldes in einem mit 45° angestellten und gekreuzten Rippen versehenen Kühlkanal vorgestellt und analysiert. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Strömungsphänomene bis zur periodisch ausgebildeten Sekundärströmungen zu beschreiben und deren Einfluss auf den Wärmeübergang zu quantifizieren.

Die Wärmeübergangskoeffizienten wurden dabei abschnittsweise gemittelt und das Strömungsfeld über 5-Loch- und Hitzdraht-Sonden in insgesamt acht Messebenen erfasst.

Für die Untersuchungen wurden maschinennahe Reynolds-Zahlen von 25.000 - 140.000 berücksichtigt. Es wird gezeigt, dass die Wärmeübergangskoeffizienten im berippten Einlauf bis zu 35% höher als im periodisch ausgebildeten Bereich weiter stromab sind.

Dies kann im Wesentlichen auf unterschiedliche Sekundärströmungsformen zurückgeführt werden. Der Einlauf ist dabei von einem Wirbelsystem gekennzeichnet, welches von zwei longitudinalen Wirbeln dominiert wird und sich damit entscheidend von dem einzelnen Sekundärwirbel der periodisch ausgebildeten Strömung unterscheidet. Nach Kenntnisstand des Autors wurde dieses Wirbelsystem für die untersuchte Rippenanordnung erstmalig experimentell erfasst und detailliert beschrieben.

Es wird gezeigt, dass der Einflussbereich des beschriebenen Wirbelsystems abhängig von der Reynolds-Zahl ist und sich über eine Länge von mindestens 5,2 - 6,8 hydraulische Durchmesser des Kühlkanals erstreckt.