Lehrstuhl Verbrennungskraftmaschinen und Flugantriebe ...

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