Einfluss komplexer Oberflächenstrukturen auf das aerodynamische Verlustverhalten von Turbinenbeschaufelungen

Abstract

Der Einsatz von Gasturbinen für den Antrieb von Flugzeugen wird aufgrund der hohen Leistungsdichte und Wirkungsgrade auch in den kommenden Jahrzehnten ohne Alternative sein. Dabei nimmt die Bedeutung von ökonomischen und ökologischen Aspekten stark zu. Um die Betriebskosten von Gasturbinen zu reduzieren, ist ein Weg bereits während der Produktion und Reparatur die Wechselwirkung von Fertigungsprozessen und funktionalen Eigenschaften zu berücksichtigen. Ein großes Potential die Reparaturkosten zu senken liegt in der Wartung von Hochdruckturbinenschaufeln, die aufgrund hoher thermischer und mechanischer Belastung einem hohen Verschleiß unterliegen. Durch eine geschickte, lokale Reparatur von Turbinenschaufeln, kann die Reparaturzeit gesenkt werden. Besondere Bedeutung kommt bei der Reparatur der Oberflächenbeschaffenheit der Turbinenschaufeln zu, da durch Oberflächenrauheiten der Wirkungsgrad signifikant gesenkt wird. Für eine geschickte und effiziente Reparatur ist daher die Kenntnis über die Wechselwirkung von Oberflächenrauheiten mit den lokalen Strömungsbedingungen entlang der Schaufeloberfläche notwendig. Ein Merkmal betriebsbeanspruchter Turbinenschaufeln ist eine lokale Inhomogenität in der Höhe, der Dichte und Anordnung von Rauheitselementen auf Turbinenschaufeln. Aus Messungen von Oberflächenstrukturen betriebsbeanspruchter Turbinenschaufeln ergibt sich eine charakteristische Rauheitsverteilung, die besonders große Rauheitshöhen an der Vorderkante aufweist. Die Parametrisierung erfolgt mit Hilfe der äquivalenten Sandkornrauheit, um eine dreidimensionale Topographie in einen skalaren Kennwert zu überführen. Zur quantitativen Beschreibung der Isotropie bzw. Anisotropie der Oberflächenrauheiten wird ein Anisotropie-Parameter ΛA eingeführt. In dieser Arbeit werden experimentelle Untersuchungen zum Einfluss lokaler und komplexer Oberflächenstrukturen auf das aerodynamische Verlustverhalten von Turbinenbeschaufelungen durchgeführt. Dafür wird eine Schaufel ausgelegt, die eine ähnliche aerodynamische Belastung aufweist wie der Mittenschnitt einer Hochdruckturbinenschaufel eines modernen Flugtriebwerks. Aus den Rauheitsmessungen werden Oberflächenmodelle abgeleitet und auf der Turbinenschaufel appliziert. Aus Grenzschicht- und Nachlaufmessungen sowie Messungen der Profildruckverteilung folgt, dass Rauheiten im Wesentlichen den Reibungswiderstand beeinflussen. Abhängig von der Rauheitsposition auf der Schaufel ergeben sich stark unterschiedliche Verluständerung bis zu einer Erhöhung der Profilverluste von 11%. Mit Hilfe Direkter Numerischer Simulationen (DNS) erfolgt eine Klärung der Ursachen der Verlustentstehung von Rauheiten in der turbulenten Grenzschicht. Dabei zeigt sich, dass durch Oberflächenrauheiten lokale Druckgradienten in die Grenzschicht induziert werden, welche die Stabilität kohärenter Wirbelstrukturen beeinflussen. Zusätzlich wird eine empirische Rauheitsfunktion anhand von Messwerten aus der Literatur hergeleitet. Dies ist notwendig, da viele technische Rauheiten Höhen von k8+ ≤ 20 aufweisen, die vorhandenen Rauheitsfunktionen für diesen Bereich jedoch keine allgemeingültigen Ergebnisse liefern. Eine Verifikation der allgemeinen Gültigkeit der neuen Rauheitsfunktion erfolgt mittels der DNS verschiedener Oberflächen. Aus den Ergebnissen dieser Arbeit folgt, dass unter Berücksichtigung der Wechselwirkung der lokalen Strömungsbedingungen mit Oberflächenstrukturen eine lokale Schaufelreparatur möglich ist. In Bereichen stark beschleunigter Strömungen kann die Oberflächenrauheit aus aerodynamischer Sichte vernachlässigt werden. Dadurch ist eine Senkung der direkten Betriebskosten von Gasturbinen über eine Reduzierung der Reparaturzeit möglich.