Filmkühlung in Fluggasturbinen
Verbrennungstemperaturen in modernen Fluggasturbienen übersteigen die maximal zulässige Temperatur der eingesetzten Materialien. Für den sicheren Betrieb des Triebwerks müssen die Brennkammerwände und andere Strukturen aktiv gekühlt werden.
Bei der Filmkühlung wird eine Schicht aus kalter Verdichterluft zwischen die Wand und dem Heißgas gelegt. Mit Hilfe von Effusionsbohrungen muss diese Schicht kontinuierlich erneuert werden.
Neuartige Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing) ermöglichen komplexe Kühlstrukturen. Dies birgt Potential für eine Verbesserung der Kühlleistung und somit des Wirkungsgrades der Gasturbine.
Prüfstand
Die Untersuchungen werden in einem geschlossenen thermischen Windkanal (Göttinger Bauart) durchgeführt. Mit einer Antriebsleistung von
40 kW beträgt die maximale Strömungsgeschwindigkeit in der Messkammer 78 m/s. Ein Heizregister erhöht die Temperatur des strömenden Fluids auf bis zu 100°C (Heizleistung: 10 kW). In der Messkammer kann mit Stickstoff gekühlte Druckluft als Kühlluft zugeführt werden.
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Turbulenzerzeugung
Stromauf der Messkammer befindet sich eine Beruhigungsstrecke. Wabenstrukturen und Siebe reduzieren den Turbulenzgrad auf ca. 1,5%. Um realistischere Bedingungen in der Messkammer zu erzeugen wurde ein aktives Turbulenzgitter entwickelt, welches die Turbulenzintensität auf bis zu 20% erhöhen kann.
Ein kleines Video dazu finden sie hier.
Messtechnik
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Für die Untersuchung von neuartigen Kühlgeometrien können verschiedene konventionelle und optische Messtechniken eingesetzt werden. |
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Beispiel: Simultane Geschwindigkeits- und Temperaturmessung in der Strömung mit „Thermographic PIV“
Für die Messung von Geschwindigkeiten in der Strömung wird das strömende Fluid mit Partikel versetzt. Die Partikel streuen Laserlicht und werden so für die Kamera sichtbar. Aus der Partikelverschiebung zwischen zwei Bildern wird das zweidimensionale Geschwindigkeitsfeld berechnet.
Wird ein thermographischer Phosphor verwendet können die Partikel parallel in einem anderen Wellenlängenbereich angeregt werden. Daraufhin emittieren die Partikel in Abhängigkeit ihrer Temperatur Strahlung, die wiederum mit Kameras detektiert und ausgewertet werden kann.
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Temperatur- (Farbe) und Geschwindigkeitsfeld (Pfeile) einer abgehobenen Kühlluftströmung |
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Experimenteller Aufbau für thermographische PIV Messungen |
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Messungen am Windkanal |