Entwicklung und Analyse eines innovativen Filmkühlverfahrens für hochbelastete Gasturbinenschaufeln:
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Aachen
Shaker
2012
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INHALTSVERZEICHNIS
INHALTSVERZEICHNIS
INHALTSVERZEICHNIS I
ABBILDUNGSVERZEICHNIS V
NOMENKLATUR IX
1 EINLEITUNG 1
1.1 HERAUSFORDERUNGEN DER GASTURBINENENTWICKLUNG 1
1.2 STAND DER FORSCHUNG 4
1.2.1 DEFINITIONEN 5
1.2.2 ARBEITEN ZU KONVENTIONELLEN FILMKUEHLUNGSKONZEPTEN 8 1.2.3 ARBEITEN
ZU INNOVATIVEN FILMKUEHLUNGSKONZEPTEN 13
1.3 ZIEL UND LOESUNGSWEG 16
2 GRUNDLAGEN 19
2.1 VERFAHREN ZUR SCHAUFELKUEHLUNG IN GASTURBINEN 19 2.1.1
KONVEKTIONSKUEHLUNG UND PRALLKUEHLUNG 20
2.1.2 FILMKUEHLUNG UND TRANSPIRATIONSKUEHLUNG 21
2.1.3 WAERMEDAEMMSCHICHTEN UND WERKSTOFFE 22
2.1.4 AUSWIRKUNGEN DER KUEHLUNG AUF DEN WIRKUNGSGRAD 22
2.2 KUEHLKONZEPTE IN MODERNEN GASTURBINEN 24
2.2.1 SIEMENS SGT5-8000H 24
2.2.2 MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES J-SERIES - INNOVATIVE KUEHLTECHNOLOGIE
25
2.3 GRUNDLAGEN ZUR STRAHLSTRUKTUR 26
2.3.1 AUSBLASUNG IN HAUPTSTROEMUNGSRICHTUNG 26
2.3.2 AUSBLASUNG IN LATERALER RICHTUNG 28
2.3.3 EINFLUSS DER BOHRUNGSGEOMETRIE AUF DIE STRAHLSTRUKTUR 29
2.3.3.1 SHAPED COOLING HOLES 29
2.3.3.2 TRENCH - KUEHLKONZEPT 31
2.4 DAS PRINZIP DER DOUBLE JET FILMKUEHLUNGSTECHNOLOGIE 31 2.4.1
ERZEUGUNG VON ANTI-NIERENWIRBELN- KONZEPT DER DOUBLE JET FILMKUEHLUNG
32
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IMAGE 2
II INHALTSVERZEICHNIS
3 MODELL- UND GEOMETRIEUEBERSICHT 35
3.1 GEOMETRIE 35
3.2 RECHENGITTER 41
3.2.1 GRUNDLAGEN ZUR GITTERGENERIERUNG 41
3.2.2 ERSTELLTE GITTER 44
3.3 ANFANGS- UND RANDBEDINGUNGEN 46
4 DOUBLE JET FILMKUEHLUNGSTECHNOLOGIE - PARAMETERSTUDIE 51
4.1 ANALYSE DER DOUBLE JET WIRBELSTRUKTUR 51
4.2 EINFLUSS DER BOHRUNGSANORDNUNG 55
4.2.1 IMPULSVERHAELTNIS UND LOKALE AUSBLASERATE 56
4.2.2 ADIABATE FILMKUEHLEFFEKTIVITAET 57
4.2.3 TEMPERATURVERTEILUNG UND STRAHLSTRUKTUR 60 4.2.4 ZUSAMMENFASSUNG
UND ERKENNTNISSE ZUM WEITEREN VORGEHEN 62
4.3 EINFLUSS DES LATERALEN ANSTELLWINKELS 62
4.3.1 FILMKUEHLEFFEKTIVITAET 63
4.3.2 TEMPERATURVERTEILUNG UND STRAHLSTRUKTUR 67 4.3.3 ZUSAMMENFASSUNG
UND ERKENNTNISSE ZUM WEITEREN VORGEHEN 68
4.4 EINFLUSS DES ANSTROEMUNGSWINKELS 69
4.4.1 ADIABATE FILMKUEHLEFFEKTIVITAET 69
4.4.2 TEMPERATURVERTEILUNG UND STRAHLSTRUKTUR 73 4.4.3 ZUSAMMENFASSUNG
UND ERKENNTNISSE ZUM WEITEREN VORGEHEN 74
4.5 ANORDNUNG IN KUEHLREIHEN 74
4.5.1 DOUBLE JET KUEHLREIHE 74
4.5.2 KOMBINIERTE DOUBLE JET KUEHLREIHE 76
4.6 RESUEMEE DER DOUBLE JET PARAMETERSTUDIE 79
5 WEITERENTWICKLUNG DER DOUBLE JET TECHNOLOGIE 81
5.1 EINZELBOHRUNGSKONZEPT MIT ANTI-NIERENWIRBEL 81
5.1.1 FILMKUEHLEFFEKTIVITAET 84
5.1.2 TEMPERATURVERTEILUNG UND STRAHLSTRUKTUR 88 5.1.3 ZUSAMMENFASSUNG
UND ERKENNTNISSE ZUM WEITEREN VORGEHEN 90
IMAGE 3
INHALTSVERZEICHNIS III
6 VERGLEICH MIT ANDEREN INNOVATIVEN FILMKUEHLTECHNOLOGIEN 93
6.1 DIE STANDARD UND HOCHEFFEKTIVE SHAPED GEOMETRIE 93
6.2 DIE TRENCH GEOMETRIE 98
6.3 VERGLEICH DER KUEHLTECHNOLOGIEN 101
6.4 ZUSAMMENFASSUNG UND ERKENNTNISSE ZUM WEITEREN VORGEHEN 109
7 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN UND TECHNISCHE REALISIERBARKEIT 111
7.1 ABGLEICH DER NUMERISCHEN ERGEBNISSE MIT EXPERIMENTELLEN
UNTERSUCHUNGEN 111
7.2 FERTIGUNGSAUFWAND UND TECHNISCHE REALISIERBARKEIT 119
8 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 123
9 LITERATURVERZEICHNIS 127
10 ANHANG 137
10.1 GRUNDLAGEN ZUM RECHENVERFAHREN CHT-FLOW 137
10.1.1 ERHALTUNGSGLEICHUNGEN IN INTEGRALER UND KONSERVATIVER FORM 137
10.1.2 TURBULENZMODELLIERUNG 142
10.1.2.1 TRANSFORMATION DER ERHALTUNGSGLEICHUNGEN IN BELIEBIGE
KOORDINATEN 144
10.1.3 IMPLIZITER ZEITSCHRITT 145
10.1.4 BESTIMMUNG DER FLUESSE 146
10.1.5 RELAXATIONSVERFAHREN 146
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