Lehrstuhl Verbrennungskraftmaschinen und Flugantriebe ...
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IV. NUMERISCHE SIMULATION UND FILMKÜHLUNG<br />
1 EINLEITUNG<br />
Der Entwicklungsingenieur moderner Flugtriebwerke ist bestrebt, die Turbineneintrittstemperatur<br />
der gewählten Verdichterförderhöhe anzupassen, um einen bestimmten<br />
spezifischen Schub bzw. eine benötigte Wellenleistung realisieren zu können. Entsprechend<br />
dieser Forderung erhöht er die Turbineneintrittstemperatur. Um die eingestellten hohen<br />
Turbineneintrittstemperaturen von über 1700 K beherrschen zu können, sind ausgereifte<br />
Kühlverfahren notwendig. Ein sehr effektives Kühlverfahren ist die Filmkühlausblasung. Es<br />
bestehen jedoch gegenwärtig noch Unsicherheiten bei den Auslegungsmethoden, da die<br />
auftretenden Strömungsformen im Bereich der Filmkühlung sehr komplex sind. Neben der<br />
Steigerung des inneren Turbinenwirkungsgrades mittels Erhöhung der Turbineneintrittstemperatur<br />
wird die Optimierung des Stufenwirkungsgrades der Turbine über eine<br />
Steigerung der aerodynamischen Kenndaten der filmgekühlten Turbinenschaufel angestrebt.<br />
Mit der Forderung nach größerer Strömungsumlenkung entsteht in der Turbinenstufe Gebiete<br />
mit verzögerter Hauptströmung. Es wächst die Gefahr der Bildung lokaler Ablöseblasen. Für<br />
diesen speziellen Fall verzögerter Hauptströmung, mitunter bei lokaler, kurzfristiger<br />
Ablösung in der Turbine, sind umfassende Betrachtungen der Temperaturbelastung an der<br />
Schaufel <strong>und</strong> der Wirkung des Kühlfilms notwendig. In Abhängigkeit von der Ausblaserate<br />
M, der Ausblasegeometie <strong>und</strong> den externen Strömungsbedingungen an der Ausblasestelle<br />
nimmt der Kühlfilm mehr oder weniger starken Einfluß auf lokale Verzögerungs- bzw.<br />
Ablösegebiete. Für die Auslegung der filmgekühlten Turbinenschaufel benötigt der<br />
Entwicklungsingenieur Angaben zur Filmkühleffektivität η stromab der Ausblaseöffnungen,<br />
um die Wandtemperaturverteilung bestimmen zu können. Hierzu sind bereits ein Reihe von<br />
Untersuchungen experimenteller <strong>und</strong> numerischer Art durchgeführt worden, über die Boehme<br />
[10] in seiner Arbeit einen ausführlichen Überblick gibt.<br />
1.1 Untersuchungsmethoden<br />
Zur Untersuchung strömungsmechanischer Phänomene existieren heute drei methodische<br />
Ansätze. Die Lösung des analytischen Ansatzes gelingt nur für einfache Sonderfälle, eine<br />
Beschreibung komplexer Strömungen, wie sie in Turbomaschinen auftreten, ist mit ihm nicht<br />
möglich.<br />
Der praktische Ansatz geht auf die Untersuchung von Strömungen im Experiment zurück.<br />
Wir verwenden unterschiedliche Geräte <strong>und</strong> Meßinstrumente um komplexe Strömungen am<br />
Modell oder unter realen Bedingungen zu erfassen. Das Experiment liefert weitgehend<br />
authentische Ergebnisse <strong>und</strong> wird auch noch heute als Maß für viele auf anderen Wegen<br />
gewonnene Ergebnisse angesehen. Jedoch sind experimentelle Untersuchungen aufgr<strong>und</strong> des<br />
hohen Rüstaufwands sehr teuer <strong>und</strong> zeitintensiv. Die durch die Meßmethodik festgelegten<br />
Randbedingungen erzwingen oft Abstriche bei der Einhaltung der Ähnlichkeit von Geometrie,<br />
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