Gasturbinenschaufeln, Brennkammerauskleidungen und Abgasbauteile arbeiten in Gas, das heißer ist, als der Werkstoff ertragen kann. Die Filmkühlung legt eine dünne Schutzschicht kühler Luft zwischen Oberfläche und Heißgas.
Das Ausblaseverhältnis: zu wenig ist schlecht, zu viel ist schlimmer
Die Kühlwirkung steigt mit dem Ausblaseverhältnis (dem Verhältnis der Massenstromdichten von Kühlluft und Hauptströmung) — bis zu einem Punkt.
Wird das Verhältnis zu hoch, dringt der Strahl in die Hauptströmung ein, statt anzuliegen, und hebt ab. Die Oberfläche ist dann ungeschützt; schlimmer noch, der abgehobene Strahl erzeugt ein gegenläufiges Wirbelpaar, das Heißgas zur Oberfläche zieht. Das Ergebnis: mehr Luft aufwenden und schlechter kühlen.
Das Optimum liegt in einem engen, von der Geometrie abhängigen Bereich, und das ist der eigentliche Gegenstand der Auslegung.
Die Bohrungsgeometrie
Neigungswinkel. Ein flacher Winkel zur Oberfläche (typisch um 30°) hilft dem Strahl, anzuliegen; eine senkrechte Bohrung löst sofort ab.
Fächerförmiger Austritt. Eine Aufweitung des Bohrungsaustritts senkt die Strahlgeschwindigkeit und erhöht die seitliche Ausbreitung. Sie liefert bei gleichem Luftstrom eine deutlich bessere Bedeckung, weshalb sie in modernen Auslegungen Standard ist.
Zusammengesetzter Winkel. Ein zusätzlicher seitlicher Winkel gegenüber der Strömung verbessert die seitliche Bedeckung.
Warnungen zur Modellierung
Die Bohrungen aufzulösen ist teuer. Jede Bohrung zu rechnen lässt das Netz explodieren. Ein verbreiteter Ansatz stellt die Bohrungen als Quellterme dar — aber dieser Ansatz kann das Abheben des Strahls und das Wirbelpaar nicht sehen, und genau das ist das kritische Phänomen. Im kritischen Bereich müssen die Bohrungen aufgelöst werden.
Eine konjugierte Lösung ist nötig. Die Metalltemperatur wird sowohl vom äußeren Heißgas als auch vom inneren Kühlkanal bestimmt. Siehe die Notiz zur konjugierten Wärmeübertragung.
Die turbulente Mischung entscheidet. Wie schnell der Strahl verdünnt wird, bestimmt das Turbulenzmodell, und die Modelle unterscheiden sich in dieser Konfiguration systematisch. Das Ergebnis sollte vergleichend verwendet werden.
Referenzen
- Menter, F. R. (1994). Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal, 32(8), 1598–1605. DOI: 10.2514/3.12149
- Modest, M. F. & Mazumder, S. (2021). Radiative Heat Transfer, 4th ed. Academic Press. ISBN 978-0-323-98406-5.