Bewertung des Potentials optimierter „Midpassage-Gap“-Spaltgeometrien zur Kühlung der ersten Turbinenleitreihe: Infrarotthermographie unter hohen Sichtwinkeln

Gasturbinen und Flugtriebwerke haben im Energie- und Mobilitätssektor eine große Bedeutung, welche in Zukunft noch weiter zunehmen wird. Um bei dieser Zunahme die Klimaziele einhalten zu können, sind eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades sowie eine Senkung der Emissionen unumgänglich. Eine Steigerung des Wirkungsgrades lässt sich unter anderem durch die Erhöhung der Turbineneintrittstemperatur erreichen. Durch fortschrittliche Verbrennungskonzepte können die Stickoxidemissionen reduziert werden. Beide Maßnahmen führen jedoch zu einer deutlichen Zunahme der thermischen Belastung im seitenwandnahen Bereich der Turbine. ... mehrDies erfordert eine Intensivierung der Kühlung um ein Versagen der Bauteile auszuschließen. Um die Kühlwirkung ohne den zusätzlichen Einsatz von Kühlluft effizient zu steigern, rückt eine gezielte Nutzung der aus fertigungsbedingten Spalten ausgeblasenen Sperrluft zu Kühlzwecken mehr und mehr in den Fokus der Forschung.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde der fertigungsbedingte Spalt zwischen zwei Schaufelsegmenten, welcher auch als Midpassage-Gap bezeichnet wird, experimentell unter maschinenähnlichen Bedingungen thermisch untersucht. Um das Kühlpotential im kompletten seitenwandnahen Bereich untersuchen zu können, wurde im Rahmen der Arbeit die Weiterentwicklung eines Kalibrierverfahrens für Infrarotaufnahmen erforderlich. Damit sind nun verwertbare Messungen auch bei sehr großen Sichtwinkeln von bis zu 75° möglich. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass die aus besagtem Spalt ausgeblasene Sperrluft das Potential hat, neben dem saugseitigen Bereich der Seitenwand auch den seitenwandnahen Bereich der Schaufelsaugseite zu kühlen. Eine Variation der Spaltgeometrie hebt das Potential aber auch die Grenzen der Kühlwirkung der aus dem Midpassage-Gap ausgeblasenen Sperrluft hervor und gibt einen Einblick in die komplexe Interaktion zwischen Heißgas und Sperrluft. Die Daten stellen eine wertvolle Basis für die Auslegung und Optimierung des Kühlkonzepts zukünftiger Maschinen dar.

Gas turbines and aero engines are highly relevant in the energy and mobility sector and their significance will further increase in the future. To comply with climate targets as well as the growing demands of the energy and mobility sector, a further increase of the efficiency as well as a decrease of the emissions are essential. The efficiency can be, among other things, enhanced by increasing the turbine entry temperature. Advanced combustion concepts can lead to reduced nitrogen oxide emissions. Both measures, however, will lead to an increased thermal load on and in proximity of the turbine endwall. ... mehrTo prevent the turbine from failure, an intensified cooling is required. In order to efficiently increase the cooling effect without additional cooling air, using purge air blown out of production-related gaps for cooling purposes is increasingly becoming the focus of research.
Within the scope of this work the gap between two vane segments, also called Midpassage-Gap, was investigated thermally under engine-realistic conditions. To capture the cooling potential on and in proximity of the turbine endwall, an enhancement of the calibration procedure for infrared measurements was necessary. Thereby, measurements at high viewing angles of up to 75° are now possible. The results of this work show, that the purge air from the Midpassage-Gap has a cooling effect on the suction side endwall as well as on the vane suction side in proximity of the endwall. Varying the gap geometry emphasises the potential as well as the limits of the cooling effect of the purge air from the Midpassage-Gap. Additionally, insights into the complex interaction of hot gas and purge air are provided. The results are valuable for the design and the optimisation of cooling concepts of future engines.