Filmkühlung thermisch hochbelasteter Gasturbinenschaufeln: Möglichkeiten und Grenzen des Einsatzes von Diffusorbohrungen

In der vorliegenden Arbeit wird die Wirksamkeit von Diffusorbohrungen zur Filmkühlung von Gasturbinenschaufeln detailliert analysiert. Unter breit angelegter Variation der die Bohrungsgeometrie festlegenden Parameter sowie der Betriebsbedingungen am Bohrungs-ein- und -austritt werden die für die Kühlwirkung relevanten Effekte herausgearbeitet. Insbesondere werden auch die Einflüsse der Querströmung im Schaufelinneren, die Auswirkungen variabler Freistromturbulenz sowie periodisch instationäre turbulente Nachläufe auf der Heißgasseite berücksichtigt. Die Untersuchungen stützen sich auf die aus thermographischen Messungen gewonnenen Verteilungen der adiabaten Filmkühleffektivität und des Wärmeübergangskoeffizienten sowie auf durch Druck- und Temperaturmessungen ermittelte Durchflussbeiwerte. Neben einer Bestimmung dieser Größen aus dem Experiment dienen begleitend durchgeführte numerische Simulationen der Berechnung von Geschwindigkeits- und Temperaturfeldern, welche zur Erklärung der im Experiment beobachteten Phänomene genutzt werden. Aus der Kombination von numerisch errechneten und experimentell ermittelten Daten resultiert ein vertieftes Verständnis der den Wärmeübergang mit Filmkühlung dominierenden Mechanismen bei konturierten Bohrungen. Die so gewonnene sehr umfangreiche Datenbasis kann weiterhin von Auslegungsingenieuren als Richtschnur genutzt werden, um vorab entscheiden zu können, wann der Einsatz der aufwändig zu fertigenden Diffusorbohrungen tatsächlich lohnenswert ist.