Filmkuhlung transsonischer Turbinen : Infrarotthermographisches Messverfahren zur Charakterisierung des Warmeubergangs / Marco Ochs.

Format:

Book

Author/Creator:

Ochs, Marco, author.

Series:

Forschungsberichte aus dem Institut für Thermische Strömungsmaschinen

Language:

German

Subjects (All):

Aircraft gas-turbines.

Heat--Transmission.

Heat.

Physical Description:

1 online resource (vi, 146 pages) : illustrations

Edition:

1st ed.

Place of Publication:

Berlin : Logos, 2011.

Summary:

Long description: Abstract Moderne Flugtriebwerke zeichnen sich heutzutage durch eine hohe Leistungsdichte bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad aus. Damit einher gehen hohe aerodynamische und thermische Belastungen der Hochdruckturbine. Heißgas mit Temperaturen von bis zu 2000 K umströmt dabei die Turbinenschaufeln mit Strömungsgeschwindigkeiten, die bis in den Überschall reichen. Um ein strukturelles Versagen zu verhindern, werden daher die dem Heißgas ausgesetzten Komponenten mit Luft aus dem Verdichter filmgekühlt. Einer konservativen Auslegung der Bauteilkühlung stehen allerdings Einbußen im thermischen Wirkungsgrad gegenüber, die aus dem übermäßigen Kühlluftverbrauch resultieren. Eine Annäherung an die maximale Materialtemperatur ist demzufolge anzustreben. Zu erreichen ist dies aber nur, wenn die Kühlwirkung hinreichend gut vorhergesagt werden kann. Während für subsonische Strömungen bereits Auslegungswerkzeuge existieren, ist die Auswirkung von Überschallphänomenen auf die Filmkühlung transsonischer Turbinen bislang nur unzureichend charakterisiert. Die vorliegende Arbeit widmet sich daher der Fragestellung, inwiefern die Interaktion eines sich im Überschall bildenden schrägen Verdichtungsstoßes mit einem Kühlfilm Einfluss auf die Kühlung hat. Zentrale Messtechnik zur Charakterisierung des Wärmeübergangs ist die Infrarotthermographie. In dieser Arbeit wurde hierzu eine robuste Kalibriermethodik entwickelt, um Temperaturverteilungen bei den im Experiment vorherrschenden Wärmeströmen bestimmen zu können. Eine Temperaturkalibrierung ist damit selbst dann noch möglich, wenn Stützstellen nicht über den kompletten Temperaturbereich zur Verfügung stehen. Des Weiteren wurde die Signalaufbereitung des Infrarotsystems grundlegend überarbeitet, wodurch nun nahezu beliebige Temperaturspannen innerhalb einer Infrarotaufnahme erfasst werden können.

Contents:

Intro

1 Einleitung und Zielsetzung

2 Filmkühlung transsonisch umströmter Turbinenschaufeln

2.1 Grundlagen der Filmkühlung

2.1.1 Beschreibung des thermischen Verhaltens

2.1.2 Beschreibung des Durchflussverhaltens

2.1.3 Ähnlichkeitskennzahlen der Filmkühlung

2.2 Grundlegende Phänomene in Überschallströmungen

2.2.1 Expansionswellen

2.2.2 Der senkrechte Verdichtungsstoß

2.2.3 Der schräge Verdichtungsstoß

2.2.4 Kühlfilmausblasung in Überschallströmungen

2.3 Aerodynamik und Wärmeübergang in transsonisch durchströmten Turbinenstufen

3 Experimenteller Aufbau und aerodynamische Auslegung

3.1 Hochdruck-Hochtemperaturanlage (HDT)

3.2 Messstrecke

3.3 Versuchsträger und Ausblasegeometrien

3.3.1 Nahe adiabate Messplatte

3.3.2 Diabater Messplattenverbund

3.4 Messwerterfassung und Messsysteme

3.4.1 Messwerterfassung

3.4.2 Infrarotthermographie

3.4.3 Background-Oriented-Schlieren-Verfahren

3.4.4 Laser-Doppler-Anemometrie

3.5 Bestimmung der Durchflusskoeffizienten

3.6 Bestimmung der Filmkühlgrößen

3.6.1 Bestimmung der Wärmeströme

3.6.2 Anwendung des Superpositionsprinzips zur Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten

3.6.3 Anwendung des Superpositionsprinzips zur Bestimmung der adiabaten Filmkühleffektivität

3.6.4 Rechnergestützte Auswertung

3.7 Versuchsprogramm und experimentelle Randbedingungen

4 Entwicklung eines infrarotthermographischen Messverfahrens

4.1 Grundlagen der Thermographie

4.2 Erfassung von Szenerien hoher Strahlungsdynamik

4.2.1 Radiometrische Selbstkalibrierung

4.2.2 Eliminierung von Detektorungleichförmigkeiten

4.2.3 Validierungsmessungen

4.2.4 Erstellen einer hochdynamischen Infrarotaufnahme

4.3 Temperaturkalibrierung

4.3.1 Modellierung der Strahlungssituation

4.3.2 Kalibrierverfahren.

4.3.3 Reduktion freier Kalibrierparameter

4.3.4 Optimierung des optischen Aufbaus

4.3.5 Validierungsmessungen

4.3.6 Fehlerabschätzung

5 Versuchsergebnisse und Diskussion

5.1 Vergleich mit Literaturdaten

5.2 Charakterisierung der supersonischen Freiströmung

5.3 Charakterisierung der Stoß-Grenzschicht-Interaktion

5.4 Filmkühlung bei Ausblasung an Position 1

5.5 Filmkühlung bei Ausblasung an Position 2

5.6 Korrelation des Durchflussverhaltens bei Ausblasung in eine Überschallströmung

5.6.1 Variation der Freistrom-Machzahl

5.6.2 Korrelationsentwicklung

6 Zusammenfassung und Ausblick

Literatur

Anhang.

Notes:

Description based on print version record.

PublicationDate: 20110511

ISBN:

3-8325-9761-1

OCLC:

1021810623