Einfluss und Sensitivität der Krümmung von Turbinenkaskaden auf die Filmkühleffektivität
Kühle Innovation für heiße Turbinen – Effizienz und Langlebigkeit durch RPTU-Forschung
Moderne Gasturbinen erreichen heute Turbineneintrittstemperaturen von über 1600°C, die weit über der Schmelztemperatur der verwendeten Materialien liegen. Um die hohen thermischen Belastungen der Turbinenbeschaufelung sowie der Seitenwände (Nabe und Gehäuse) zu reduzieren, spielt die Filmkühlung eine entscheidende Rolle. Neben klassischen Filmkühlbohrungen kommen zunehmend konstruktiv bedingte Leckagespalte, wie der sogenannte Purge Slot, zum Einsatz. Dieser Spalt zwischen dem Brennkammer-Übergangsstück und der ersten Leitschaufelreihe der Hochdruckturbine ermöglicht eine gezielte Einspeisung von Sperrluft, um die hochbelasteten Seitenwandbereiche effektiv zu schützen.
Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wird der Einfluss der Seitenwandkrümmung auf die Filmkühlung systematisch untersucht. Dabei steht insbesondere der Krümmungsparameter S/R_N im Fokus, der die Strömungsbedingungen entlang der Seitenwand maßgeblich beeinflusst. Ziel der Untersuchung ist es, die Auswirkungen der Krümmung auf die Filmkühleffektivität von Gehäuse und Nabe zu quantifizieren und mit den Ergebnissen einer linearen Kaskade zu vergleichen. Darüber hinaus wird die Sensitivität der Filmkühlung gegenüber Variationen des Krümmungsparameters ermittelt, um eine genauere Einschätzung des physikalischen Einflusses zu ermöglichen.
Methodisches Vorgehen
Zur Analyse des Krümmungseinflusses werden experimentelle Untersuchungen mit numerischen Simulationen kombiniert.
- Experimente am High-Speed-Kaskadenprüfstand:
Ein Basisfall mit einem Krümmungsverhältnis von S/R_N=0.25 wird am institutseigenen High-Speed-Kaskadenprüfstanduntersucht. Dabei kommen moderne Messmethoden wie Pressure Sensitive Paint (PSP), Temperature Sensitive Paint (TSP), Ölanstrichbilder und Nachlaufmessungen mittels Fünflochsonde zum Einsatz. - Numerische Strömungssimulationen (CFD):
Basierend auf den experimentellen Ergebnissen wird ein numerisches Ein-Passagen-Modell unter Verwendung höherwertiger Turbulenzmodelle entwickelt und validiert. Anschließend erfolgen Simulationen für zwei weitere Krümmungsverhältnisse (S/R_N=0.2 und S/R_N=0.3), um eine umfassende Analyse des Krümmungseinflusses zu ermöglichen. Die Filmkühleffektivität wird dabei sowohl lokal als auch integral untersucht. - Analyse der Strömungstopologie:
Durch numerische Anstrichbilder wird die Interaktion zwischen Hauptströmung und Kühlluft detailliert analysiert. Zudem werden die Ergebnisse der gekrümmten Kaskade mit denen der linearen Kaskade verglichen, um die physikalischen Mechanismen hinter der Filmkühlausbreitung besser zu verstehen.
Die gewonnenen Erkenntnisse liefern wertvolle Einblicke in den Einfluss der Seitenwandkrümmung auf die Filmkühlung und tragen dazu bei, effizientere Kühlkonzepte für zukünftige Hochdruckturbinen zu entwickeln.
Danksagung
Dieses Forschungsprojekt wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Wir danken der DFG für die finanzielle Unterstützung, die es ermöglicht, die experimentellen und numerischen Untersuchungen durchzuführen. Ihre Förderung trägt maßgeblich dazu bei, neue wissenschaftliche Erkenntnisse im Bereich der Filmkühlung von Hochdruckturbinen zu gewinnen.