Bessere Kühlung für Triebwerke der Zukunft
Die Kraftstoffeffizienz eines Triebwerks hängt weitgehend von der Turbinenleistung ab. Die Konstruktion von Turbinenkühlsystemen bleibt einer der herausforderndsten Teile der Triebwerksentwicklung. Die Designer verlassen sich hier stark auf empirische Werkzeuge, um neue Bauweisen zu konzipieren. Das EU-finanzierte Projekt ERICKA (Engine representative internal cooling knowledge and applications) führte mehrere Tests in stationären und rotierenden Prüfständen durch, um die Kühlkonstruktionen von Turbinenschaufeln zu optimieren. Die experimentelle Arbeit wurde durch computergestützte Analyse und Modelle ergänzt. Spitzenkühltechnologie stellt einen kritischen Bereich des verbesserten Kühlkonzepts für Gasturbinenschaufeln dar. Ein Großteil der Arbeit war auf die Optimierung der Kühlleistung von Auftreffsystemen ausgerichtet. Man erprobte verschiedenen Positionen, Winkel und Formen für Strahllöcher, um die Schaufelkühlungsleistung zu bewerten. Um bessere Resultate zu erzielen, wurden auch die Strahlöffnung und Rippenpositionen verschoben. Die Projektpartner untersuchten auf umfassende Weise die statischen und rotierenden Kühlgeometrien, die für aktuelle und zukünftige Motoren typisch sind. Die Experimente mündeten in der Auswahl neuer Geometrien, die konzipiert, gefertigt und erprobt wurden. ERICKA sorgte für hochwertige Messdaten der Wärmedurchgangszahl (Heat Transfer Coefficient, HTC) und entwickelte Rechenmethoden, um auf vorteilhafte Weise die Drehung zur Verbesserung des Kühldesigns und des Turbinenwirkungsgrads auszunutzen. Mit Hilfe von CFD-Analyse (numerische Strömungsmechanik; Computational Fluid Dynamics) prognostizierte man innere Strömungen. Das Projekt unterstützte die Entwicklung von Designsoftware, die speziell der Gestaltung von Kühlsystemen dient. Auf Grundlage der HTC-Messungen entwickelten die Projektpartner einen Code, um die optimale Kühlkanalbauform für Hoch- und Niederdruckturbinen zu finden. Auf der Internetseite des Projekts steht eine Datenbank zum Herunterladen zur Verfügung, die Wärmeübertragungsdaten und Druckverlustmessungen aus der optimierten statischen Prüfstandgeometrie beinhaltet. ERICKA zielte auf die Senkung der Kohlendioxidemissionen um 1 % im Vergleich zu den Referenztriebwerken von 2000 ab. Das Projekt mehrte erheblich das Wissen über Wärmeübertragung und Kühlung, was die Entwicklung neuer Kühllösungen ermöglichte. Zu den Verbreitungsaktivitäten des Projekts zählten eine Präsentation und ein Poster, die auf einem Workshop sowie im Rahmen des Internetauftritts des Projekts präsentiert werden.
Schlüsselbegriffe
Turbinentriebwerke, Kühlsystem, Turbinenschaufeln, Wärmeübertragung
