Experimentelle Konzeptentwicklung und Realisierung eines Heißgasprüfstands zur Untersuchung von Filmkühlung

Von:

Roman Franze

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Schon seit Jahrzehnten verfolgt die Gasturbinenforschung das Ziel Primärenergieträger in elektrische Energie mit einem hohen Wirkungsgrad zu wandeln. Zusätzlich zur hohen Effizienz müssen Gasturbinen in der heutigen Zeit auch in der Lage sein, unter flexibler Last zuverlässig zu funktionieren. Durch den Einfluss von dezentraler Energiewandlung aus erneuerbaren Quellen ist das elektrische Netz immer größeren Schwankungen ausgesetzt. Dies wirkt sich vor allem auf die hoch belasteten Oberflächen der ersten Leitschaufelreihe aus, die mit möglichst wenig Luft bei unterschiedlichen Betriebspunkten zuverlässig gekühlt werden müssen. Das Kühlsystem und speziell die Filmkühlung nimmt deshalb bei der Forschung über Gasturbinen eine Schlüsselrolle ein. Bei der Entwicklung von neuen Kühlungstechnologien kann aus Kostengründen im universitären Umfeld keine reale Gasturbine für Testläufe verwendet werden. In einem Komponententest wird die Gasturbine bei reduzierten Druck- und Temperaturbedingungen mit einer Kaskade modelliert. Durch die Einhaltung von dimensionslosen Kennzahlen können die Ergebnisse jedoch direkt auf den realen Fall appliziert werden. Eine gesuchte Größe ist die Wärmebelastung, die mit einem Modell auf die realen Bedingungen umgerechnet werden kann. Das Potential zur Reduzierung des Modellfehlers bei Versuchen mit hohem Druck und hoher Temperatur wird in dieser Arbeit erläutert. Bei einer exakten Vorhersage der Belastung kann im Rückschluss die Kühlluft effizienter eingesetzt werden. Auf dieser Basis wird die Realisierung mit einem Heißgasprüfstand am Lehrstuhl für Strömungsmechanik und Strömungsmaschinen der Technischen Universität Kaiserslautern gezeigt.