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Die Forschungsschwerpunkte am Institut für Thermische Strömungsmaschinen der Universität Karlsruhe liegen im Bereich der Turbomaschinen. Dazu zählen vor allem Triebwerke von Flugzeugen, Gas- und Dampfturbinen zur Energiegewinnung sowie Abgasturbolader, wie sie bei Verbrennungsmotoren zum Einsatz kommen. Innerhalb der Maschinen fokussieren sich die Forschungsarbeiten auf die „heißen“ Teile der Maschinen. Dazu zählen neben der Brennkammer und der Hochdruckturbine auch das Sekundärluft- und Ölsystem. Entsprechend der Komponenten ist das Institut thematisch in vier Arbeitsgruppen unterteilt:

    

 

                         Rolls-Royce BR715 - Triebwerk

 

   

Komponentenentwicklung

Leitung: Dr. Corina Schwitzke

Die effiziente Bereitstellung der Kühlluft, die Verminderung der Dichtungsluft bzw. der Spaltverluste und die optimale Kühlung der thermisch höchst belasteten Wälzlager erfordern hochinnovative Komponenten im Sekundärluft- und Ölsystem, die am Institut für Thermische Strömungsmaschinen mit modernsten Methoden analysiert werden.

Die Ergebnisse fließen anschließend in Form von optimierten Berechnungsmethoden  in den Auslegungsprozess zukünftiger Triebwerke ein und tragen so zur Umsetzung der hochgesteckten Ziele in der Luftfahrt bei.

 

 

 

 

 

 

 


Brennkammerentwicklung,Verbrennung

Leitung: Dr. Rainer Koch


Die Verbesserung der Umweltfreundlichkeit stellt ein wesentliches Ziel für die Entwicklung zukünftiger Gasturbinen dar. Dazu werden neue Verbrennungskonzepte entwickelt, mit denen der Schadstoffanteil im Abgas um bis zu 50 % reduziert werden kann. In Zusammenarbeit mit den Herstellern beschäftigt sich das Institut für Thermische Strömungsmaschinen mit der Konzeption und Optimierung schadstoffarmer Brennkammern für zukünftige Gasturbinen. Mit Lasermeßtechnik werden experimentelle Untersuchungen zur Strömung, Kraftstoffeinspritzung von Flüssigbrennstoffen und Schadstoffbildung durchgeführt. Parallel erfolgt die Entwicklung numerischer Verfahren mit dem Ziel die Schadstoffbildung in Brennkammern vorherzusagen.

 

   

Wärmeübergang, Kühlmethoden

Leitung: Dr. Achmed Schulz


Höchste Wirkungsgrade zukünftiger Gasturbinen lassen sich durch eine weitere Erhöhung der Turbineneintrittstemperatur erzielen. Bereits heute liegen diese Temperaturen weit oberhalb der Schmelztemperatur verfügbarer Materialien für Brennkammer und Turbinenschaufeln, so dass eine intensive Kühlung erforderlich wird.

Am Institut für Thermische Strömungsmaschinen werden daher neue Kühlkonzepte mit Hilfe gezielter Experimente und numerischer Untersuchungen entwickelt. Dabei stehen Wärmeübergang, Kühleffektivität sowie eine Optimierung der Aerodynamik im Vordergrund.

 

 


 

 



Radialmaschinen, Turbolader

Leitung: Dr. Achmed Schulz

Überwiegend radial durchströmte Turbinen und Verdichter werden in Maschinen mit kleineren Volumenströmen eingesetzt, wie z.B. Mikrogasturbinen und Abgas-Turboladern. Ihre Vorteile bestehen vor allem in den sehr hohen spezifischen Leistungsumsätzen, d.h. in den hohen verarbeiteten Druckverhältnissen. Aufgrund ihrer kleinen Abmessungen und der gegebenen aero-thermischen Randbedingungen werden sie mit sehr hohen Drehzahlen betrieben.
Im Rahmen verschiedener Forschungsvorhaben widmen wir uns der Charakterisierung des Betriebsverhaltens von Radialturbinen und –verdichtern. Hierbei werden neue Aufladekonzepte analysiert und bewertet. Einen weiteren Schwerpunkt der Forschungsaktivitäten bildet die experimentelle und numerische Untersuchung des Schwingungsverhaltens von Radialturbinenrotoren. Durch instationäre Strömungen in der Radialturbine können Turbinenschaufeln bzw. der gesamte Rotor zu Schwingungen angeregt werden. Hierbei können sehr komplexe Schwingungsformen höherer Ordnung auftreten und zu schadensrelevanten hochfrequenten Wechselbeanspruchungen führen.

   

 

Direkte Numerische Simulation (DNS) in Turbomaschinen

The objective of the research group Turbo-DNS is the investigation of unsteady flow and heat transfer phenomena in turbomachinery devices, such as turbines and compressors, employing Direct Numerical Simulations (DNS). A DNS solves the coverning equations of fluid motion directly without any turbulence modeling assumptions, idetailed picture of the flow field is obtained as is not possible to-date with any experiment. Thereby all nonlinear interactions are accounted for in contrast to the usual simulation techniques for turbomachinery components that employ empirical correlations and turbulence models. Therefore DNS facilitate non-intrusive, numerical experiments to gain fundamental insights into the physical mechanisms and their complex interactions. This knowledge can then be used to improve the design of these devices, e.g. by predicting or even eliminating “hot spots” in turbines and, consequently, allowing for an increase in turbine inlet temperature (TIT) and hence favorably affecting efficiency. In the future, even the development of such a revolutionary technique as cooling on demand” can be envisaged for which the exploitation of identified physical mechanisms is a necessary pre-requisite. Such an approach opens an avenue for further increases in efficiency that are crucial if, in the coming decades, a continuous reduction in fuel consumption or C02 emissions for aircraft engines or power plants is to be achieved. Unfortunately, even with modern high-performance computers, DNS is still a computationally far too expensive tool to compute the complete flow field within a single stage of a turbine. To alleviate this problem two remedies are pursued in the SRG Turbo-DNS: (1) DNS are performed in prototypical configurations of reduced size with artificial boundary conditions and, in particular, (2) “embedded” DNS. The latter is a technique that will be newly developed within the SRG. The key idea is to interface a DNS-domain with areas computed by less expensive simulation strategies, such as Large-Eddy Simulation (LES) or Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) calculations. This approach enables the use of DNS as a kind of magnifying glass highlighting areas of prime interest within a computation of a realistic configuration. To this end coupling conditions need o be developed based on physical arguments and then provided at the interface.


siehe auch  http://www.yin.kit.edu