KüpLe AP 1.2
Analyse der Strömung in Rotor-Statorkavitäten in Turbinen
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Motivation
Zur Erreichung höherer thermischer Wirkungsgrade, sowohl in stationären Gasturbinen als auch in Fluggasturbinen, sind höhere Turbineneintrittstemperaturen notwendig. Für den sicheren Betrieb sind dabei stets die maximal zulässigen Materialtemperaturen der schnell rotierenden Turbinenkomponenten zu beachten. Durch konduktiven Wärmetransport und Heißgaseinzug in die Radseitenräume sind neben der Leit- und Laufbeschaufelung der Turbinen auch die Turbinenscheiben, welche zur Aufnahme der Laufschaufeln benötigt werden, einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt. Um die zulässigen Materialtemperaturen dieser Turbinenscheiben nicht zu überschreiten, wird Kühlluft aus dem Verdichter eingesetzt. Der dafür eingesetzte Kühlluftmassenstrom aus dem Verdichter nimmt dadurch nicht an dem eigentlichen Gasturbinenprozess teil und besitzt daher einen negativen Einfluss auf den thermischen Wirkungsgrad. Die Effizienz der Gasturbine wird maßgeblich von der Menge des benötigten Kühlluftmassenstroms beeinflusst.
Zur Auslegung dieser internen Kühlsysteme zur Scheibenkühlung innerhalb thermischer Gasturbinen ist wiederum das Verständnis der vorherrschenden Strömungsstrukturen in den Rotor-Stator- und Rotor-Rotor-Kavitäten entscheidend. Die auftretenden Strömungsstrukturen besitzen dabei einen großen Einfluss auf den Wärmeübergang zwischen der eingedüsten Kühlluft und der rotierenden Turbinenscheibe. Derzeit fehlt noch ein vollständiges Verständnis der vorherrschenden Strömungs- und Wärmeübergangsphänomene innerhalb dieser Kavitäten, sodass die Auslegung der benötigten Kühlluftzufuhr hierdurch erschwert wird.
Ziel dieses Forschungsvorhabens ist daher der Aufbau eines neuen Prüfstands zur Untersuchung von Strömungsstrukturen und Wärmeübergangsphänomenen in Rotor-Stator- und Rotor-Rotor-Kavitäten anhand eines triebwerksnahen Designs von Kühlluftzufuhr und Scheibengeometrie. Anschließend wird innerhalb dieses Forschungsvorhabens eine umfangreiche Messkampagne an diesem Prüfstand durchgeführt.
Methoden
Die Konfiguration des Prüfstands ist prinzipiell an die Konfiguration einer ersten Niederdruckturbinenstufe eines realen Triebwerks angelehnt. Dazu befindet sich innerhalb eines geschlossenen Gehäuses eine rotierende Turbinenscheibe, durch die sowohl eine Rotor-Stator- als auch eine Rotor-Rotor-Kavität ausgebildet wird. Im Versuchsbetrieb wird die Turbinenscheibe auf einem konstanten Radius an acht umfangssymmetrischen Positionen mit Kühlluft in verschiedenen Anströmkonfigurationen angedüst.
Durch die Einbringung eines Temperatursprungs in der Kühlluft kann daraufhin ein signifikanter Wärmestrom in Richtung der Turbinenscheibe eingebracht werden. Mit Hilfe der Messung der Scheibenoberflächentemperaturen über Thermoelemente können darüber die Wärmeübergangskoeffizienten zwischen der Kühlluft und der Turbinenscheibe berechnet werden. Gleichzeitig können über eine Stereo Particle Image Velocimetry (PIV) alle Geschwindigkeitskomponenten der Strömung in der Rotor-Stator-Kavität in verschiedenen Laserlichtschnittebenen erfasst werden.
Die sich aus den Messungen ergebenden Datensätze können anschließend zur Weiterentwicklung numerischer Methoden verwendet werden, welche künftige experimentelle Untersuchungen ersetzen können.
Förderung
Das Projekt wird finanziell mit Mitteln des BMWK sowie der MTU unterstützt.
Den Obmann des zugehörigen projektbegleitenden Ausschusses stellt die MTU.