Optimierung der Anordnung der Filmkühlbohrungen auf Nabe und Turbinenschaufeln zur Erhöhung der Kühlleistung in Gasturbinen - KONTEST Projekt

Die weltweit steigende Nachfrage nach Energie zeigt, dass insbesondere im Bereich der Kraft- und Arbeitsmaschinen die Notwendigkeit besteht, Treibstoffeffizienz und Emissionswerte zu verbessern.
Im Fall der Turbine kann die Steigerung des thermischen Wirkungsgrades durch eine Erhöhung der Turbineneintrittstemperatur erfolgen. Diese Vorgehensweise ist zunächst durch die maximal zulässigen Materialtemperaturen der Bauteile beschränkt. Um die Turbineneintrittstemperatur dennoch erhöhen zu können, kann eine aktive Kühlung der Turbinenstruktur eingesetzt werden.
Die aktive Kühlung arbeitet mit Luft, welche dem Verdichter entnommen und in Schaufeln und Nabe der Turbine geleitet wird. Von dort gelangt sie über diskrete Bohrung auf die Bauteiloberfläche, wo sie einen vor der Heißgasströmung schützenden Film bildet. Mit den aktuell eingesetzten Technologien ist es möglich, die Temperatur der Turbinenstruktur zwischen 300 K und 400 K unter der Staupunkttemperatur der Turbineneintrittsströmung zu halten. Diese Maßnahme erfordert weniger als 10 % des Austrittsmassenstroms des Verdichters. Die dadurch entstehende Reduzierung des Gesamtwirkungsgrades kann durch die Wirkungsgradsteigerung in der Turbine aufgrund der Kühlung nicht nur ausgeglichen werden, sondern der Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine steigt.
Im Rahmen des KONTEST Projektes werden mit Hilfe der Computersimulation die Sekundärströmungsphänomene, Druckverteilungen und Wärmeübergange an einer gegebenen Schaufelgeometrie untersucht. Auf der Grundlage der Untersuchungsergebnisse wird anschließend das Kühlungskonzept optimiert, um eine effiziente Kühlung von Schaufeln und Nabe für einen möglichst großen Arbeitsbereich der Gasturbine zu garantieren.

Abbildung 1 zeigt die gehäuseseitigen Wirbelstrukturen, welche im Bereich des Rotors zu finden sind. Diese verursachen nicht nur aerodynamische Verluste, sondern bestimmen auch den Wärmeübergang. Dies ist in Abbildung 2 verdeutlicht. Diese zeigt die momentane Stantonzahlverteilung auf der Seitenwand einer Kaskade. Die Wirbelstrukturen erhöhen den Wärmeübergang besonders im Bereich der Nasenkante und der Saugseite. Dies ist insbesondere im Bereich des ersten Drittels des Schaufelkanals deutlich zu erkennen.