Das Projekt "3.3.6 Filmkühlung auf rauen Oberflächen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Thermische Strömungsmaschinen durchgeführt. Die Auslegung der Filmkühlung von Turbinenschaufeln findet i.d.R. für hydr. glatte Oberflächen statt. Im Betrieb stellt sich mit zunehmender Einsatzdauer durch Erosion, Korrosion und Partikelablagerung eine raue Oberfläche ein. Studien an rein konvektiv gekühlten Schaufeln zeigen einen drastischen Anstieg des äußeren Wärmeübergangs bei Rauigkeit. Bisher sind keine Studien bekannt, die die Bestimmung von Filmkühleffektivität und Wärmeübergang stromab konturierter Filmkühlbohrungen unter Berücksichtigung von Rauigkeit zum Ziel haben. In diesem Vorhaben soll deshalb der Einfluss von Oberflächenrauigkeit auf den lokalen Wärmeübergang und die lokale Filmkühleffektivität an einer filmgekühlten Oberfläche untersucht werden. Hierbei sollen die realen Zustände in einer Gasturbine abbildenden aerodynamische und thermische Randbedingungen bei den Versuchen eingestellt werden. Zur genauen Auflösung lokaler Strömungsphänomene sollen die Untersuchungen in einem geometrisch vergrößerten Maßstab durchgeführt werden. Stromab der Kühlluftbohrungen wird die Oberflächentemperatur mit Hilfe der Infrarotthermographie und Thermoelementen für verschiedene Wärmestromrandbedingungen bestimmt. Aus diesen Temperaturen können dann Wärmeübergangskoeffizient und adiabate Filmkühleffektivität abgeleitet werden. Die Untersuchungen sollen für verschiedene Bohrungsgeometrien durchgeführt werden. Die Rauigkeit der Oberfläche wird mit deterministischen Rauhigkeitselementen auf austauschbaren Folien nachgebildet.
Das Projekt "Teilvorhaben 3.2.2.A: Interaktion zwischen Brennkammer und Turbine" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Darmstadt, Fachgebiet Gasturbinen, Luft- und Raumfahrtantriebe durchgeführt. Im Rahmen dieses Vorhabens wird eine Untersuchung der Wechselwirkungen der stark drallbehafteten Brennkammerströmung mit der ersten Leitschaufelreihe der Hochdruckturbine einer Gasturbine durchgeführt. Hierdurch soll eine aerodynamische Optimierung der ersten Leitschaufelreihe sowie eine verbesserte Kühlfilmlegung ermöglicht werden, wodurch eine Erhöhung des Prozesswirkungsgrades erreichbar wird und somit eine Reduktion des CO2 Ausstoßes erfolgen kann, was unmittelbar zu einer Verminderung der Umweltbelastung durch Flugtriebwerke und stationäre Gasturbinen führt. Weiterhin kann das durch das Projekt gewonnene Wissen verwendet werden, um die Implementierung von Magerbrennkammern in Flugtriebwerken voranzutreiben. Hierdurch wird der Ausstoß von NOx reduziert, ein Gas, welches ebenfalls zu dem Treibhauseffekt beiträgt. Zu diesem Zweck wurde eine ebene Schaufelkaskade bestehend aus fünf Schaufeln sowie sechs Movable Block Drallerzeugern aufgebaut. Die mittleren drei Schaufeln der Kaskade sind mit FIlmkühlbohrungen ausgestattet. Die Drallerzeuger sind auf die Passagen der Kaskade gerichtet. Es wurden im Laufe der Untersuchungen verschiedene Parameter variiert. Diese sind Drallzahl der Drallerzeuger, Distanz zwischen Drallerzeuger und Schaufelkaskade, sowie die Ausblaserate der Sekundärluft. Das Strömungsfeld und die Drallzahlkennlinie der Drallerzeuger wurden mittels Particle Image Velocimetry vermessen. Weiterhin wurden Strömungsfeldvermessungen stromauf und stromab der Kaskade mittels Fünflochsonden durchgeführt sowie Messungen mittels des kalibrierten Ammoniak Diazo Verfahrens, um die adiabate Filmkühleffektivität an der Oberfläche der mittleren Kaskadenschaufel zu bestimmen.
Das Projekt "3.3.1: Hocheffiziente Filmkühlung mit optimierter Bohrungsgeometrie" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Thermische Strömungsmaschinen durchgeführt. Kühlungsbohrungen mit neuartigen Formen werden bezüglich ihrer Leistungsfähigkeit analysiert. Hierzu muss Kühlfilmeffektivität und Wärmeübergangskoeffizient stromab der Bohrung sowie die Durchflusscharakteristik der Bohrung für unterschiedliche Betriebszustände ermittelt werden. Die Untersuchungen finden in einem neuen nahezu atmosphärischen Versuchskanal bei turbinenspezifischen Randbedingungen statt. Die gewonnen Ergebnisse in Form von Kühleffektivitäten, Wärmeübergangskoeffizienten und Durchflusskoeffizienten von neuartigen Kühlluftbohrungen können unmittelbar als Validierungsgrößen für numerische Berechnungsverfahren herangezogen werden. Darüber hinaus dienen die Ergebnisse zur Auslegung von hocheffizienten Kühlmethoden, wie sie in zukünftigen Gasturbinen für die Energieerzeugung notwendig sind. Hocheffiziente Kühlmethoden erlauben die weitere Erhöhung der Prozessparameter und damit eine Anhebung des thermischen Wirkungsgrade, die gleichbedeutend mit einer Absenkung der Kohlendioxidemission ist.