Das Design einer Turbinenstufe ist ein multidisziplinärer Prozess. Um Formgebung und Materialwahl optimal an die Anforderungen anzupassend sind sowohl aerodynamische und strukturmechanische als auch wärmetechnische Restriktionen zu beachten. Die genaue Berechnung der Bauteiltemperaturen ist für das Design von entscheidender Bedeutung. Die Temperatur einer Turbinenschaufel bildet sich je nach Betriebszustand als Resultat aus Gastemperaturen und innerem und äußerem Wärmeübergang aus.
Bei der Simulation der äußeren Umströmung von Turbinenprofilen existiert bereits eine langjährige Erfahrungsbasis mit TRACE. Derzeit werden verschiedene Maßnahmen unternommen um TRACE zukünftig auch bei der Berechnung von Kühlkanälen innengekühlter Turbinen einsetzen.
Eine beheizte Wand mit Rippen ist ein typischer Anwendungsfall für die Strömung durch einen Kühlkanal. Die Rippen sorgen für ein Ablösen der Wandgrenzschicht und tragen damit zur Erhöhung des Wärmeübergangswerts bei. Derartige Strömungen sind stark instationär und dreidimensional. Die Vorhersage dieser Strömungssituation stellt hohe Anforderungen an einen RANS-Löser wie TRACE. Für die Vorhersage der Wärmestromverteilung durch eine Wand mit Rippen (Abbildung 1) kommen moderne Transportmodelle für den turbulenten Impuls- und Wärmetransport sowie Präkonditionierungsverfahren zum Einsatz.
Ein typisches Anwendungsbeispiel für die äußere Schaufelumströmung ist die transsonische Hochdruckturbinenkaskade VKI LS 89 (Abbildung 2 und 3). In einem Reynoldszahlbereich von 600.000 bis 2.000.000 und einem Eintrittsturbulenzgrad von 1% bis 6% existieren Messdaten zu Wärmeübergang und Druckverteilung auf der Schaufeloberfläche.