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TU Berlin

Inhalt des Dokuments

B05: Untersuchung der Auswirkung einer druckerhöhenden pulsierenden Verbrennung auf die Filmkühlungseffektivität von Turbinenschaufeln

TP-Leiter:
Prof. D. Peitsch ()

WM: Dipl.-Ing. Alexander Heinrich (Tel.   (030) 314 26919

Zusammenfassung

Das Forschungsvorhaben stellt ein Teilprojekt innerhalb des Sonderforschungsbereichs 1029 TurbIn - Signifikante Wirkungsgradsteigerung durch gezielte, interagierende Verbrennungs- und Strömungsinstationaritäten in Gasturbinen dar.

Innerhalb des Teilprojektes B05 soll die Auswirkung einer pulsierenden, instationären Turbinenströmung, die durch die neuartigen Verbrennungskonzepte verursacht wird, auf die Filmkühlungseffektivität von Turbinenschaufeln untersucht werden. Das Hauptziel ist die Sicherstellung der Funktionsweise der Filmkühlung der Turbinenleiträder unter den geänderten Strömungsbedingungen, sowie das Aufzeigen von Möglichkeiten zur Reduktion des benötigten Sekundärluftbedarfs und somit der Möglichkeit einer weiteren Effizienzsteigerung der Gesamtmaschine.

Die Kühllufteinblasung baut einen gleichförmigen Kühlfilm entlang der Schaufeloberfläche auf. Dadurch wird nicht nur der direkte Kontakt der Schaufel mit dem Heißgas unterbunden, der Kühlfilm wirkt gleichzeitig als Wärmesenke, der die mittlere Temperatur innerhalb der Grenzschicht absenkt. Bei optimaler Filmkühlung bildet sich ein zusammenhängender Kühlfilm mit ausreichendem Kühlpotential über die gesamte Schaufeloberfläche. Bei defektem oder unzureichendem Kühlfilm führt die thermische Belastung innerhalb kürzester Zeit zu einer Beschädigung und/oder der Zerstörung der Schaufel. Daher wird in diesem Projekt untersucht, wie sich die Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen auf das lokale Strömungsfeld des Kühlungsfilms auswirken.

Zunächst werden in einem instationären Niedergeschwindigkeitskanal Grundlagenversuche zur Beeinflussung des Kühlfilms durch die Druckschwankungen durchgeführt. Die Größe des Versuchsträgers erlaubt hierbei eine sehr gute zeitliche und räumliche Auflösung dieses Einflusses.

Die weiterführenden Experimente werden am Heiß-Akustik-Teststand durchgeführt. Im Fokus stehen hierbei die Untersuchungen zur Auswirkung der Druckschwankungen auf den Kühlfilm unter hohen Temperaturen.

 Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Alexander Heinrich

1. Förderperiode 2012 - 2016

Beeinflussung der Heißgasabdichtung im Fußbereich von Turbinenschaufeln

Zusammenfassung

Abb. 1: Versuchsstand
Lupe

Innerhalb des Teilprojekts B05 wird der Einfluss der pulsierenden Verbrennung auf die Dichtkavität von Turbinenbeschaufelungen, welche den Heißgaseinzug in den Turbineninnenraum verhindern sollen untersucht. Dazu wird Dichtluft aus dem Sekundärluftsystem durch den Rotor-Stator-Zwischenraum gepumpt. Durch die Interaktion von Dichtluft mit dem heißen Hauptgasstrom ergeben sich aerodynamische Verluste. Es ist möglich die Effizienz der gesamten Gasturbine signifikant zu erhöhen, indem diese Strömungsverluste und die benötigte Sekundärluft reduziert werden. Mit Hilfe des Heiß-Akustik-Teststands (HAT, Abbildung 1) ist es möglich das Phänomen unter turbomaschinenähnlichen Bedingungen, also hohem Druck und hohen Temperaturen zu untersuchen.

 

Zu diesem Zweck wurde eine spezielle Messstrecke für den Kanal entwickelt und bebaut, welche neben einem optischen Zugang auch ein Plenum zur Versorgung mit Sekundärluft erlaubt. Um die pulsierende Verbrennung stromauf der Turbine zu simulieren, wurde ein Versuchsaufbau mit mehreren mit sekundärluftversorgten Schnellschaltventilen realisiert. Mittels zeitlich hochauflösender Drucksensoren kann der pulsierende Druckstoß erfasst werden, wenn dieser die Messstrecke durchläuft.

 

 

Abb. 2: Nachlaufdellen
Lupe

Um die typische Druckverteilung entlang der Kavität zu erzeugen, wurde ein lineares Statorgitter ausgelegt. Der Druckverlust erlang des Gitters wurde mit Hilfe einer Fünf-Loch-Sonde und mit Particle-Image-Velocimetry (PIV) vermessen. Die damit erzeugten Nachlaufdellen für eine Machzahl von 0,35 sind exemplarisch in Abbildung 2 zu erkennen.

 

 

In einem nächsten Schritt sollen verschiedene Dichtgeometrien hinsichtlich ihrer Effizienz unter diesen instationären Bedingungen untersucht und bewertet werden.

Publikationen

Schliwka, T., Tiedemann, C. and Peitsch, D.: Interaction of Main Flow and Sealing Air across a Turbine Cavity under unsteady conditions; T., International Symposium on Air Breathing Engines, Phoenix, USA, ISABE-2015-21288, 2015

Schliwka, T., L. Malzacher, S. Chemnitz and D. Peitsch. Experimental investigation of a turbine sealing cavity exposed to free stream pressure fluction, Conference Active Flow and Combustion Control, Berlin, Germany, 10-12 September, 2014. typo3/

 

 

 

 

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Sprecher

Prof. Dr.-Ing. Rudibert King

Wiss. Koordinator

M.Sc. Christina Riehn
+49 30 314 21422
Raum ER 102

Sekretariat
Steffi Stehr
Sekr. ER 2-1
Raum 107
Hardenbergstr. 36a
10623 Berlin
Tel: 314 23110