Zurzeit betreibt die Turbinenabteilung des Instituts für Antriebstechnik des DLR in Göttingen einen Turbinenprüfstand, der 1971 erstmals als Windkanal für rotierende Gitter (RGG) in Betrieb ging. Diese Anlage verfügt auch heute noch über Alleinstellungsmerkmale, weshalb er bisher gut mit Industrieprojekten, nationalen und internationalen Forschungsprojekten ausgelastet ist.

Integration des NG-Turb in die Versuchshalle

Bedingt durch die Turbinenentwicklung der letzten Jahre wird der RGG in Zukunft aber nicht mehr alle Anforderungen der Triebwerksindustrie und künftiger Forschungsthemen abdecken. An einer modernen einstufigen Hochdruckturbine durchgeführte Messungen haben z. B. gezeigt, dass wichtige Betriebspunkte nahe an den Betriebsgrenzen dieses Prüfstandes lagen. Manche Off-Design-Betriebspunkte konnten gar nicht oder nur mit Kompromissen eingestellt werden. Es besteht deshalb Bedarf an einen neuen Versuchsstand, der einerseits in der Lage ist, die wichtigsten Strömungsparameter einer zukünftigen Hochleistungsturbine zu simulieren (z. B. höhere Druckverhältnisse, mehrere Stufen, Erweiterung auf Niederdruckturbinen usw.) und andererseits so groß ist, dass auch sehr detaillierte Messungen daran durchgeführt werden können.

Das Institut für Antriebstechnik wird daher in 2 Ausbaustufen einen neuen Turbinenversuchsstand bei der Turbinenabteilung in Göttingen errichten, der erstmals 2013 in Betrieb gehen soll. Diese „Next Generation Turbine Test Facility" (NG-Turb) genannte Anlage soll als geschlossener Kreislauf mit trockener Luft als Strömungsmedium betrieben werden, um die unabhängige Einstellung von Mach- und Reynoldszahlen zu ermöglichen. Die Variation der Reynoldszahl wird über die Einstellung des Ruhedrucks bzw. der Ruhetemperatur erfolgen. Das Strömungsmedium wird von einem neuen Getriebeverdichter der Fa. MAN Diesel & Turbo SE aus Oberhausen mit entsprechendem Druckverhältnis und einem sehr weiten Kennfeld für kleine bis sehr hohe Volumenströme angetrieben.

Die Leistungsdaten des Verdichters und die wichtigsten Parameter der Turbinenmessstrecke sind in den folgenden Tabellen aufgelistet.

Leistungsdaten Verdichter:

Verdichterkennfeld

Parameter Turbinenmessstrecke:

Anzahl Turbinenstufen	≤ 2½
Reynoldszahlen	100.000 ÷ 1.000.000
Eintrittsdruck	≈ 10 ÷ 200	kPa
Eintrittstemperatur	≈ 300 ÷ 700	K
Maximales Druckverhältnis	≈ 10 ÷ 12
Maximaler Massenstrom	≈ 9	kg/s
Minimaler Nabenradius	225 (180)	mm
Maximaler Gehäuseradius (HDT)	350	mm
Maximaler Gehäuseradius (NDT)	450	mm
Wellenleistung (HDT)	≤ 1,5	MW
Wellenleistung (NDT)	≤ 1,0	MW
Drehzahl (HDT, NDT)	≤ 13.000	1/min

Messstrecke des NG-Turb, Ausbaustufe 1

In der ersten Ausbaustufe mit einer Welle können bis zu 2½ Stufen einer Hochdruckturbine (HDT) oder einer schnell laufenden Niederdruckturbine (NDT) mit einer maximalen Leistung von 1 MW untersucht werden. In einer zweiten Ausbaustufe soll die Erweiterung auf zwei Wellen erfolgen, so dass dann Experimente an Kombinationen von Hoch- und Niederdruckturbinen mit aggressivem Übergang (kurzer Zwischenkanal mit starker radialer Erweiterung) möglich werden, z. B. für eine 1-stufige HDT + eine 1½-stufige NDT. Die Turbinenrotoren können außerdem in beiden Drehrichtungen gebremst bzw. angetrieben werden. Damit bietet sich der neue Prüfstand auch für zukünftige Experimente an gegenläufigen Turbinen an.

Messstrecke des NG-Turb, Ausbaustufe 2

Für den Einsatz von Hochdruckturbinen mit sogenannten Brennkammersimulatoren lässt sich die Verdichterluft für den neuen Turbinenprüfstand NG-Turb in einen gekühlten und einen zusätzlich elektrisch beheizten Strang aufspalten. Dabei werden heißer und kalter Luftstrom in ringbrennkammerartige Einsätze in der Messstrecke so zugeführt, dass Temperaturprofile ähnlich wie im Austritt der Brennkammer einer realen Gasturbine entstehen.

Um größere Umbauzeiten zwischen den einzelnen Experimenten zu vermeiden, wird der neue Turbinenprüfstand über eine sehr modular aufgebaute Messstrecke verfügen. Die Statoren (Leitschaufeln) der Stufen und der Brennkammersimulator werden verdrehbar eingebaut, so dass „Clocking"-Effekte untersucht werden können. Hilfskompressoren liefern genügend Druckluft zur Simulation von Kühlluftausblasung aus den Turbinenschaufeln und im Naben- und Gehäusebereich des Annulus. Eine gute Zugänglichkeit (auch optisch) ermöglicht den Einbau umfangreicher Messtechniken. Neben Standardmesstechniken wie pneumatische Sonden, Messstellen für stationäre und instationäre Drücke, Thermoelementen usw. kommen insbesondere zum Einsatz:

• Qualitative und quantitative Lasermesstechniken, z. B. „Particle Image Velocimetry“ (PIV), Lichtschnitttechniken zur Erfassung von Kühlfilmausbreitung (Kühlluftkonzentrationen), „Transient Grating Spectroscopy“ und Rayleigh-Streuung zur Bestimmung von Temperaturen und Dichteverteilungen in der Strömung
• Akustische Messtechniken, z. B. Erfassung des von der Turbine emittierten und transmittierten Schallfelds mit Hilfe von Mikrofonarrays in der Zu- und Abströmung
• Bestimmung von stationären und instationären Druckverteilungen mit der „Pressure Sensitive Paint“ (PSP) Methode
• Techniken für Wärmeübergangsmessungen und Messungen von Kühlfilmeffektivitäten, z. B. durch Bestimmung von Oberflächentemperaturen mit Infrarotkameras oder der „Temperature Sensitive Paint“ (TSP) Methode

Messungen im rotierenden System (auf den Rotorschaufeln) werden mit einem geeigneten Telemetriesystem übertragen.

Messstreckenquerschnitt, Ausbaustufe 2

In der Zukunft sind deutlich höhere Belastungen für die Niederdruckturbine in einem Flugzeugtriebwerk, mit dann transonischer Durchströmung der Schaufelreihen, zu erwarten. Um den Windkanal für Ebene Gitter (EGG) auch weiterhin zur Unterstützung von Auslegungsprozessen (z. B. für Schaufelprofile) und Detailuntersuchungen an einfachen Modellen für Hoch- und Niederdruckturbinen einsetzen zu können, wird dieser zusätzlich an die neue Kompressoranlage angeschlossen. Das hohe Verdichterdruckverhältnis und der geschlossene Kreislauf ermöglichen so deutlich höhere Machzahlen (wichtig bei Experimenten mit Außenschnittgittern von Dampfturbinen) und die unabhängige Variation von Mach- und Reynoldszahl. Damit können insbesondere auch Schaufelprofile von Niederdruckturbinen unter realen Mach- und Reynoldszahlen im EGG untersucht werden.