Analyse der Wärmetransportmechanismen in thermischen Radialturbinen

Radialturbinen in Abgasturboladern unterliegen steigenden Anforderungen. Die höheren thermischen und mechanischen Belastungen durch zunehmende Radumfangsgeschwindigkeiten und Abgastemperaturen bedingen die Notwendigkeit das Temperaturprofil im Radialturbinenrad möglichst früh im Designprozess zuverlässig vorherzusagen, um in diesem frühen Stadium Lebensdauerberechnungen durchführen zu können. In dieser Arbeit werden die Wärmetransportmechanismen im Radialturbinenrad auf Grundlage experimenteller und numerischer Ergebnisse analysiert und diskutiert. Anhand validierter numerischer Ergebnisse wird aufgezeigt, wie die Sekundärströmungen im Schaufelkanal des Radialturbinenrades die Entwicklung der Grenzschicht und damit die lokale Verteilung der Wärmestromcharakteristik beeinflussen. Hierzu wird der Strömungszustand im Eintrittsbereich des Radialturbinenrades diskutiert und der weitere Strömungsverlauf mit den sich ausbildenden Sekundärströmungen im Strömungskanal analysiert. Um den Zusammenhang zwischen dem aero-thermodynamischen Zustand auf dem Grenzschichtrand und dem Wandwärmestrom ohne störende Einflüsse aus der Rotation des Turbinenrades aufzeigen und analysieren zu können, wird an einer ein- und beidseitig umströmten ebenen Platte eine Variation der Einflussparameter Totaltemperatur, Machzahl und Wärmestrom über den Schaufelfuß durchgeführt. Für die Bestimmung der Temperaturfelder im Radialturbinenrad wird ein 1D-Expansionsmodell erstellt und validiert sowie ein Korrelationsansatz für die Beschreibung des Wärmeübergangskoeffizienten erarbeitet. Der Ansatz basiert auf der Segmentierung der Turbinenradoberfläche entlang des Strömungsweges. In der Validierung des Korrelationsansatzes wird die Sensitivität des erarbeiteten Systems bzgl. der Segmentierung aufgezeigt.