Überblick
Zur Steigerung des thermischen Wirkungsgrades einer Gasturbine (folglich auch eines Flugtriebwerks) ist eine Erhöhung des Druckverhältnisses und der Turbineneintrittstemperatur nötig. Dies wird unter anderem begrenzt durch die Kühlung der Hochdruckturbinenschaufeln, die einer erhöhten thermischen Belastung ausgesetzt sind. Um die Schaufeln vor den steigenden Heißgastemperaturen unter Einsatz reduzierter Kühlluft zunehmender Temperatur zuverlässig schützen zu können, werden effizientere Kühlverfahren benötigt.
Deshalb werden am Institut für Thermische Strömungsmaschinen neue Kühlverfahren für Hochdruckturbinenrotorschaufeln entwickelt. Insbesondere die interne Kühlung und deren Einfluss auf die Filmkühlung wird untersucht, sodass die Gesamtkühlwirkung verbessert werden kann. Durch Verwendung additiver Fertigungsverfahren können die Innengeometrie und die Filmkühlbohrungen nahezu frei gestaltet werden, wodurch aerodynamische und thermische Optimierungen des Kühlsystems möglich sind.
Abbildung 1: Interne und externe Kühlmethoden in modernen Turbinenrotorschaufeln [1]
Ziele
- Verbesserung des inneren Wärmeübergangs bei vergleichbarem oder geringerem Druckverlust
- Steigerung der Gesamtkühleffektivität durch Anpassung der Filmkühlung an die interne Kühlung
- Räumlich aufgelöste Untersuchung des inneren Wärmeübergangs bei maschinenähnlichen Betriebsbedingungen
Zur experimentellen Untersuchung und Beurteilung neuer Kühlkonfigurationen existiert am ITS ein Versuchsstand mit dem die aerodynamischen und thermischen Randbedingungen einer realen Turbinenschaufel nachgebildet werden können. Es können beliebige Kühlkonfigurationen, bestehend aus Innen- sowie Filmkühlung, eingebaut und untersucht werden.
Die Beurteilung der Gesamtkühleffektivität erfolgt mithilfe der Infrarotthermographie, die seit über 20 Jahren am ITS eingesetzt wird und stetig weiterentwickelt wurde, wodurch hoch genaue Oberflächentemperaturmessungen bei maschinenähnlichen Betriebsbedingungen möglich sind.
Abbildung 2: Termperaturverteilung auf Trubinenrotorschaufel gemessen mittels Infrarotthermografie [2]
Quellen
[1] ROLLS-ROYCE PLC (1986): The Jet Engine. ISBN 0902121235
[2] ELFNER, M. (2019): Bewertung neuer Verfahren zur Kühlung von Turbinenrotorschaufeln. KIT. DOI: 10.30819/4838