Einfluss der Oberflächenrauigkeit auf den Wärmeübergang und die aerodynamischen Verluste einer Gasturbinenbeschaufelung

Die Forderung nach immer höheren Wirkungsgraden von Gasturbinen geht mit der Erhöhung der Turbineneintrittstemperatur und des Maschinendruckverhältnisses einher. Bereits heute liegen die Heißgastemperaturen weit oberhalb der zulässigen Materialtemperaturen der heißgasführenden Bauteile. Der effiziente Einsatz der Kühlluft stellt dabei höchste Anforderungen an die Auslegung der Schaufelkühlung. Die vorliegende Arbeit untersucht den äußeren konvektiven Wärmeübergang und die aerodynamischen Verluste einer Gasturbinenbeschaufelung. Die experimentellen Untersuchungen werden bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen (Reynoldszahl und Freistromturbulenz) durchgeführt. Der Fokus liegt dabei auf dem Einfluss der Oberflächenrauigkeit, die mit Blick auf das Langzeitverhalten eine immer größere Rolle spielt. Die Untersuchungen bei systematischer Variation der Geometrie von deterministischen Rauigkeiten zeigen, dass diese im Vergleich zur glatten Oberfläche auf der Schaufel selbst sowie auf deren Plattform zu erhöhtem Wärmeübergang führen. Untersuchungen im Schaufelmittelschnitt verdeutlichen, dass die Verteilung des Wärmeübergangs und die aerodynamischen Verluste entscheidend von der Lage des laminar-turbulenten Übergangs der Grenzschicht abhängen. Dieser wird durch die Oberflächenrauigkeit stromauf verschoben und bewirkt eine Steigerung des lokalen Wärmeübergangs um bis zu einer Größenordnung. Unter Zuhilfenahme eines zweidimensionalen Grenzschichtrechenverfahrens werden die experimentellen Ergebnisse zusammen mit weiteren Daten aus der Literatur zur Entwicklung einer Korrelation für den laminar-turbulenten Umschlag herangezogen. Die Berücksichtigung der Oberflächenrauigkeit erfolgt dabei über eine, für den laminar-turbulenten Übergang charakteristische, äquivalente Rauigkeitsgröße. Abschließend wird gezeigt, wie sich dieses Verfahren zur Vorhersage der Grenzschichtentwicklung bei realen Oberflächenrauigkeiten anwenden lässt.