Zur Umsetzung der durch die umweltpolitischen Vorgaben gestützten Forderung nach möglichst CO2-armen fossil befeuerten Kraftwerken, werden die aero-thermodynamischen Belastungen von Turbinen ständig gesteigert. Die für die Betriebssicherheit zulässigen maximalen Bauteiltemperaturen in den mit Heißgas beaufschlagten Strömungspassagen können nur noch durch fortschrittliche Kühltechnologien eingehalten werden. Für die dazu notwendige Auslegung optimierter Kühlkonfigurationen ist ein umfassendes Verständnis des Mischungsprozesses zwischen Kühlluft und Hauptströmung erforderlich. In der Literatur wird bisher hauptsächlich die Untersuchung von Filmkühlausblasung an einfachen Geometrien und bei stationärer Zuströmung beschrieben, obwohl reale Maschinen komplexe Geometrien und instationäre Strömungen aufweisen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Beschreibung der Strömungsvorgänge bei Kühlluftausblasung an der Vorderkante eines Turbinenprofils unter dem Einfluss periodisch instationärer Zuströmung und turbomaschinenähnlichen Strömungsrandbedingungen. Es wurden Messungen an einem hochbelasteten Turbinengitter mit Gleichtemperaturausblasung durchgeführt, das saug- und druckseitig jeweils eine Ausblasposition in unmittelbarer Staupunktnähe besitzt. Systematisch aufbauend auf den bereits vorhandenen Ergebnissen zur Ausblasung aus Schlitzen und Bohrungsreihen bei stationärer Zuströmung am Hochgeschwindigkeits-Gitterwindkanal des Instituts für Strahlantriebe der Universität der Bundeswehr München wurden zwei Bohrungskonfigurationen untersucht, die bei konstanter axialer Bohrungsneigung ohne und mit lateralen Ausblaswinkeln ausgestattet waren. Die Größe des Gitters war auf die Abmessungen der Messstrecke, der eingesetzten Sonden sowie dem eingesetzten Erzeuger instationärer Zuströmung, der zur Simulation einer stromauf bewegten Schaufelreihe verwendet wurde, abgestimmt. Vor allem die zeitlich hochauflösende dreidimensionale Hitzdraht-Anemometrie und die Druckmesstechnik mit Kulite – Sensoren kamen zum Einsatz, um das Strömungsfeld im Nahbereich der Ausblasung detailliert zu vermessen. Die Zuströmwinkeländerung in den Nachlaufdellen erzeugt einen leichten Rückenstoß, der zu einer zeitlich veränderlichen Verschiebung des Staupunktes führt. Im Nahbereich der Ausblasung zeigen sich sowohl auf der Druck- als auch auf der Saugseite in Momentaufnahmen zwischen zwei Nachlaufdellen Strömungsbilder, die denen bei stationärer Zuströmung ähnlich sind. Die Ausblasung in die beschleunigte saugseitige Querströmung erzeugt einen anliegenden Kühlstrahl mit dem charakteristischen Nierenwirbel, der durch die Wirkung der Nachlaufdelle als „Negative Jet“ periodisch mit der Stabfrequenz an- und abschwillt. Die Druckstörung durch die Nachlaufdellen pflanzt sich bis ins Schaufelplenum fort und ruft eine periodische Änderung des Ausblasmassestroms hervor. Dabei kommt es bei symmetrischer Unterimpulsausblasung (AGTB-EIZ-B1) zu einem kurzzeitigen, fast völligen Erlöschen des saugseitigen Kühlstrahls. Die lateral angestellten Bohrungen zeigen sich in diesem Zusammenhang robuster, mischen sich in Strömungsrichtung jedoch langsamer aus. Zusätzlich ergibt sich durch den Einfluss der Nachlaufdellen eine laterale und wandnormale Oszillation der Strahltrajektorie, die zu einem insgesamt inhomogeneren Kühlfilm führt. Die Ausblasung in die verzögerte Hauptströmung auf der Druckseite lässt den Kühlstrahl vollständig von der Profiloberfläche, abheben und es bildet sich darunter ein Rückströmgebiet. Dieses wird durch die Nachlaufdellen nicht unterdrückt, sondern sogar periodisch vergrößert. Die laterale Auffüllbewegung in den Nachlauf des Rückströmgebietes generiert ein zweites Wirbelpaar, den Trogwirbel. Aufbauend auf der vorhandenen Datenbasis wurden numerische Untersuchungen zur Validierung der Rechenverfahren begonnen. Erste Ergebnisse haben gezeigt, dass sich eine Interaktion zwischen Kühlstrahl und Nachlaufdelle im Ausströmverhalten der Kühlluft niederschlägt. Inwieweit moderne Rechenverfahren das zeitlich und räumlich hochkomplexe Strömungsverhalten wiedergeben können, muss in weiteren Arbeiten nach dem Abschluss der Auswertung der numerischen Ergebnisse anhand detaillierter Vergleiche zwischen Experiment und Rechnung diskutiert werden.    «

Zur Umsetzung der durch die umweltpolitischen Vorgaben gestützten Forderung nach möglichst CO2-armen fossil befeuerten Kraftwerken, werden die aero-thermodynamischen Belastungen von Turbinen ständig gesteigert. Die für die Betriebssicherheit zulässigen maximalen Bauteiltemperaturen in den mit Heißgas beaufschlagten Strömungspassagen können nur noch durch fortschrittliche Kühltechnologien eingehalten werden. Für die dazu notwendige Auslegung optimierter Kühlkonfigurationen ist ein umfassendes Ver...    »