Particle-Image Velocimetry Measurements of Film Cooling Flows

Die turbulente Strömungsstruktur und Wirbeldynamik einer Ausblasung in eine Querströmung, wie sie bei der Filmkühlung von Gasturbinenschaufeln auftritt, wird mit Hilfe der Particle-Image Velocimetry (PIV) untersucht. Die Wechselwirkung zwischen der austretenden Kühlluft und der Grenzschichtströmung einer ebenen Platte erfolgte bei einer Reynoldszahl von Re∞ = 400.000. Um den Einfluss des Neigungswinkels und der Öffnungsgeometrie einer Kühlbohrung auf das sich einstellende Strömungsfeld zu untersuchen werden drei verschiedene Bohrungskonfigurationen berücksichtigt. Die betrachteten Bohrungsgeometrien bestehen aus einer senkrechten, einer geneigten und einer konturierten Bohrung mit einem in laterale und in Strömungsrichtung erweiterten Austritt. Drei geschwindigkeitsbezogene (VR = 0.1, VR = 0.28 und VR = 0.48) und zwei massenstrombezogene (MR = 0.28, MR = 0.48) Ausblasraten wurden untersucht. Es wurde jeweils Luft bzw. CO2 in die Grenzschichtströmung eingeblasen, um so den Einfluss des Dichtegradienten zwischen Kühlmittel und Heißgas auf das Mischungsverhalten und somit auf die Kühleffektivität zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine hohe massenbezogene Ausblasrate zu einem Anwachsen des Rückströmgebiets führt, was wiederum ein stärkeres Einströmen von Heißgas in den Nachlauf des Ausblasstrahls zur Folge hat. Darüber hinaus ergab sich bei der Einblasung mit einem höhern Dichtgradienten eine deutlich gesteigerte laterale Ausbreitung des Kühlstrahls. Durch die Untersuchung unterschiedlicher Bohrungsgeometrien konnte für den konturierten Bohrungsaustritt eine geringere Eindringtiefe des Ausblasstrahls in die Grenzschicht bei einer gleichzeitig gesteigerten Strahlausbreitung nachgewiesen werden. Im Vergleich zu den runden Bohrungen bildeten sich keine Rückströmgebiete. Die erzielten experimentellen Ergebnisse dienen der Validierung numerischer Simulationen. Der Vergleich zeigt eine hervorragende Übereinstimmung der gemittelten Geschwindigkeiten und Schwankungsgrößen…