Die Umsetzung des Wirkungsgradgewinns bei höherer Prozeßtemperatur erfordert nämlich eine höhere Effizienz des Kühlsystems ohne größeren Kühlluftverbrauch. Hierbei gilt es nicht nur die erhöhte Wärmebelastung technologisch zu beherrschen, sondern auch die geforderte Lebensdauer zu garantieren.
Die Auslegung von Kühlsystemen verlangt eine sehr genaue Kenntnis der räumlichen Verteilung der heißgas- wie kühlluftseitigen Wärmeübergänge, die letztendlich die Bauteiltemperaturen beispielsweise in der Turbinenschaufel bestimmen.
Ziel ist es, über eine optimale Auslegung des Kühlsystems dem unterschiedlich auftretendem Wärmeeintrag auf der Heißgasseite Rechnung zu tragen und durch örtlich angepasste Kühlung das Temperaturfeld der Turbinenschaufel homogen und unterhalb kritischer Materialgrenzen zu halten, damit Funktionssicherheit und Lebensdauer des gekühlten Bauteils immer gewährleistet sind.
Im Institut für Antriebstechnik der DLR in Köln wird der Einfluß der Rotation auf die Kühlluftströmung und den Wärmeübergang im Innern rotierender Turbinenschaufeln untersucht.
Im Rahmen von nationalen und europäischen Forschungsprogrammen (AG Turbo, Luftfahrtforschungsprogramm Engine3E, etc.) werden experimentelle Daten zur Validierung moderner Auslegungsverfahren und zur Optimierung von solchen Kühlsystemen bereitgestellt.
Aufgrund der Rotation ergeben sich in den Kühlkanälen einer Turbinenrotorschaufel geänderte Strömungsverhältnisse der Kühlluft, die über veränderte Geschwindigkeitsgradienten an der Wand und ein verändertes Turbulenzniveau insgesamt auch den Wärmeübergang örtlich stark modifizieren.
Zum einen tragen Sekundärwirbel, die durch die Rotation im Innern der Strömung induziert werden, zu dieser Veränderung bei, zum anderen liefert aber auch die Erwärmung der Kühlluft mit örtlichen Dichte-/Temperaturunterschieden und somit örtlich unterschiedlichen Zentrifugalkräften über nach innen gerichtete Auftriebsströmungen in Wandnähe einen weiteren Rotationseinfluß auf die Kühlwirkung.
Für die Auslegung eines effizienten Rotorkühlsystems sind daher genaue Kenntnisse der örtlichen Wärmeübergänge in Abhängigkeit der strömungsrelevanten Parameter wie Reynoldszahl, Rotationszahl und Auftriebskennzahl erforderlich.
Neben den Druckverlustmessungen sind Strömungsfeldmessungen zum Verständnis der strömungsphysikalischen Vorgänge in den meist serpentinenförmigen Kanälen notwendig, deren Daten als Basis für eine rechnergestützte Optimierung mit einem leistungsfähigen Strömungsrechenverfahren dienen.
Technische Daten