Parametrische Untersuchung der Leckageluftausblasung zur Seitenwandkühlung einer Turbinenleitschaufel

  • Um die Emissionsziele des Übereinkommens von Paris zu erreichen, muss die Weiterentwicklung von Gasturbinen und deren Komponenten im Mittelpunkt der aktuellen Energieforschung stehen. Ein nach wie vor hohes Optimierungspotential bietet hierbei die sich der Brennkammer anschließende Hochdruckturbine und hierin die Verbesserung der Kühlmethoden, da diese einen signifikanten Beitrag zum Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine beitragen. Diese Dissertation nimmt sich dem Teilgebiet der Filmkühlungstechnologie an und untersucht die Anwendbarkeit eines konstruktiv bedingt vorhandenen Leckagespalts zur aktiven Kühlung der Seitenwand in der ersten Turbinenleitschaufelreihe. Die experimentell durchgeführte Studie analysiert in Form einer Parametervariation verschiedene Leckagespaltkühlungskonfigurationen, um einerseits die Einflüsse der Parameter zu identifizieren und andererseits die Konfigurationen auch hinsichtlich der Filmkühlwirkung zu bewerten. Hier kommen neben der Pressure Sensitive Paint Messtechnik zur Bestimmung der Filmkühleffektivität auch Ölanstrichbilder der Seitenwand sowie Fünflochsondenmessungen am Schaufelaustritt zum Einsatz. Dadurch werden zusätzlich die Auswirkungen auf die Aerodynamik beurteilt. Alle Messkampagnen wurden dabei für zwei, sich im Auslegungsprinzip markant unterscheidende Leitschaufelprofildesigns durchgeführt, um in einem weiterführenden Schritt eine Übertragbarkeit der Erkenntnisse oder gar korrelative Zusammenhänge für die untersuchten Leckagespaltparameter aufzuzeigen. Die Ergebnisse dieser umfassenden, komparativen Parameteranalyse decken auf, dass zwar einige Spaltkonfigurationen in Ansätzen konsistente Ergebnistendenzen aufweisen, jedoch nicht ohne weiteres übertragbar sind oder eine Allgemeingültigkeit erkennen lassen. Im Endresultat wird dadurch deutlich, dass die robuste Auslegung solcher Kühlkonzepte zum einen spezifisch und zum anderen auch unter Berücksichtigung der verbundenen Komponenten erfolgen sollte.
  • In order to achieve the emission goals put forward in the Paris agreement, the continued development of gas turbines and their components need to be the focus of current energy research. The high-pressure turbine downstream of the combustor still offers great potential for optimization, and in this context the cooling methods are of particular interest, as these contribute significantly to the overall efficiency of the gas turbine. This dissertation addresses the subtopic of film cooling methods and investigates the applicability of a slot between the combustor and the NGV, required for assembly purposes, as a source of endwall cooling. This experimental study has several goals: First, different leakage slot cooling configurations are analyzed with respect to the influences of different parameters by a variation of the same. Second, the configurations are also evaluated with regard to their film cooling capabilities. In addition to the Pressure Sensitive Paint measurement technique for determining the film cooling effectiveness, oil flow visualizations on the endwall as well as five-hole probe measurements in the vane wake region are used to assess the effects on aerodynamics. In the overall context, this enables the evaluation of the film cooling performance. All of the measurements described above were carried out for two nozzle guide vane profiles with significantly different design characteristics in order to point out, in a further step, a possible transferability of the results or even the existence of correlations for the leakage slot parameters investigated. The findings of this comprehensive, comparative parameter analysis reveal that, although some slot configurations show consistent result tendencies to some extent, they are not readily transferable or generally valid. As a final result, it becomes clear that the robust design of such cooling concepts should follow a specific approach and has to take into account the ensuing components.

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Metadaten
Author:Gunther Müller
URN:urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-67543
DOI:https://doi.org/10.26204/KLUEDO/6754
Advisor:Martin Böhle
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Date of Publication (online):2022/02/24
Year of first Publication:2022
Publishing Institution:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institution:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2022/02/18
Date of the Publication (Server):2022/02/25
Page Number:VII, 112
Faculties / Organisational entities:Kaiserslautern - Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Licence (German):Creative Commons 4.0 - Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitung (CC BY-NC-ND 4.0)