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Einfluss der Oberflächenrauigkeit auf den Wärmeübergang und die Filmkühleffektivität stromab konturierter Filmkühlbohrungen

Die Reduzierung der Schadstoffemissionen ist eines der Entwicklungsziele der Hersteller von stationären Gasturbinen und Flugtriebwerken. Dieses Ziel wird unter anderem durch eine Steigerung des thermischen Wirkungsgrades erreicht. Zur Wirkungsgradsteigerung setzt sich das Bestreben nach steigenden Druckverhältnissen und Turbineneintritts -temperaturen in zukünftigen Generationen von Gasturbinen fort. Folglich ist eine intensive und gleichzeitig effiziente Kühlung der thermisch hochbelasteten Bauteile notwendig. Dies erfordert eine verbesserte Vorhersagegenauigkeit für bisherigen Kühlverfahren in Bezug auf die verschiedenen Betriebsparameter, zu denen auch die Oberflächenrauigkeit gehört.

In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss der Oberflächenrauigkeit auf den lokalen Wärmeübergang und die Filmkühleffektivität stromab von konturierten Filmkühlbohrungen untersucht. Als Vergleichsbasis dient eine analoge Konfiguration mit hydraulisch glatter Oberfläche. Zur Bestimmung der Zielgrößen wird Infrarotthermografie unter Anwendung des Superpositionsprinzips der Filmkühlung eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen die Effekte der Rauigkeit und anderer wesentlicher Einflussgrößen wie Turbulenzgrad, Ausblaserate und Teilung.
Die Kenntnis über die gegenseitigen Einflüsse der untersuchten Parameter kann zur Auslegung neuer Triebwerksgenerationen und stationärer Gasturbinen herangezogen werden, um benötigte Kühlluftmengen mit einer erhöhten Genauigkeit zu bestimmen. Die Ergebnisse können weiterhin dazu genutzt werden, um numerische Berechnungen zu validieren und neue Modellierungsansätze zur Bestimmung des Einflusses der Oberflächenrauigkeit auf die Kühlwirkung zu überprüfen. Durch das erweiterte Verständnis kann zukünftig Kühlluft eingespart und somit der thermische Wirkungsgrad der Maschinen gesteigert werden.