Methoden zur thermischen Auslegung konvektiv gekühlter Turbinenschaufeln

In der vorliegenden Arbeit wurde eine zeitgemäße Toolkette zur Auslegung von konvektionsgekühlten Gasturbinenschaufeln anhand eines anwendungsnahen Experimentes untersucht. Der Fokus lag dabei auf Effekten, die unter realistischen Temperaturbedingungen auftreten und somit gekoppelte Simulationen erforderlich machen. Es kamen sowohl 1D-Verfahren mit teils empirischen Korrelationen, als auch 3D-RANS-Verfahren, die das komplette Strömungsfeld auflösen, zum Einsatz. In den angewendeten Methoden wurde der äußere Wärmeübergang ent- sowie gekoppelt berechnet, um den Einfluss der thermischen Randbedingungen zu untersuchen. Zur Validierung wurden Experimente am Heißgas-Gitterprüfstand des Instituts durchgeführt. Die dreidimensionale Berechnung der Außenströmung verbesserte die Qualität der Vorhersage gegenüber der 1D-Berechnung mittels Korrelationen deutlich, da die relevanten Phänomene tendenziell erfasst wurden. Weiterhin wurde durch eine CFD-Rechnung der Innenströmung der Verlauf der Materialtemperatur im Fall des breiten dritten Kühlkanals ebenfalls besser vorhergesagt, da die inhomogene Verteilung der Kühllufttemperatur aufgelöst wurde. Ist eine ausreichende Durchmischung der Strömung im Kühlkanal nicht sichergestellt, sollte demnach eine 1DBerechnung mittels einer 3D-Strömungssimulation überprüft werden. Durch die gekoppelte Berechnung der Außenströmung wurde die Abweichung der Materialtemperatur an der Hinterkante um 50% reduziert, da die sich im Versuch einstellende thermische Randbedingung berücksichtigt wurde. Liegen große Änderungen der Oberflächentemperatur zwischen Vorder- und Hinterkante der Schaufel vor, verbessert demnach eine gekoppelte Berechnung die Vorhersage deutlich.