Turbinentest mit Brennkammersimulator - Messungen im Rahmen von EU-Projekt Clean Sky 2 - Transition

Abstract

In der Turbinenforschung ist ein wichtiger Aspekt die Entwicklung von effizienteren und umweltfreundlicheren Triebwerken. Das Ziel besteht unter anderem darin den Wirkungsgrad zu verbessern und damit den Treibstoffverbrauch zu verringern. Im Turbinenprüfstand NG-Turb (Next Generation Turbine) in Göttingen können Turbinen Rigs mit bis zu 2 ½ Stufen eingebaut und getestet werden. Mit den experimentellen Untersuchungen können numerische Simulationen validiert und der Einfluss einzelner Betriebsparameter der Turbine auf den Wirkungsgrad ermittelt werden. Der Turbinenprüfstand NG-Turb arbeitet im geschlossenen Kreislauf mit trockener Luft als Strömungsmedium und kann Eintrittsdrücke bis zu 200 kPa, Eintrittstemperaturen bis zu 520 K, sowie eine Wellenleistung von 1 MW bereitstellen. Ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung und Validierung hocheffizienter Triebwerke ist die Brennkammer-Turbinen Interaktion. Der Wirkungsrad der Turbine wird von der Brennkammer-Abströmung und der Brennkammer-Turbinen Interaktion beeinflusst. Ein besseres Verständnis für die Temperaturverteilung innerhalb der Turbine und der daraus resultierenden thermischen Belastung kann z.B. dazu genutzt werden, die Kühlung effizienter zu gestalten was sich direkt auf den Wirkungsgrad des Triebwerks auswirkt. Um dies zu untersuchen wurde das InterTurb Rig, eine 2-stufige Hochdruckturbine mit triebwerkstypischen Kühl- und Leckageströmen, mit einem Brennkammersimulator ergänzt. Der Maßstab der InterTurb Turbine ist vergleichbar mit kommerziellen Triebwerken für Business-Jets und die umfangreiche Instrumentierung (ca. 450 Temperaturmessstellen, ca. 600 Druckmesstellen, 10 seperate Kühlluftzuführungen und 10 Sondenverschiebegeräte) erlaubt wissenschaftlich präzise Erfassung der Strömungsbedingungen. Der Brennkammersimulator ist seit 2022 in Göttingen im InterTurb Rig im Einsatz und wurde so ausgelegt, dass am Turbineneintritt ein Strömungsfeld entsteht, welches realen Triebwerken mit fett-mager Verbrennung entspricht. Durch Anpassungen an den Einbauten des Brennkammersimulators könnten dadurch aber auch Temperatur- und Strömungsaustrittsprofile von alternativen Kraftstoffszenarien bereitgestellt werden, wie z.B. Wasserstoff oder synthetische Kraftstoffe. Aktuell erfolgt die Einstellung des Strömungsprofils im Brennkammersimulator durch, über den Umfang verteilte, elektrische Heizkartuschen, sowie der Aufteilung des Strömungsmediums durch Lochbleche in einen Hauptmassenstrom und Zusatzeinblasungen am Innen und Außendurchmesser der Ringkammer. Zusätzlich ist die Zuführung von separat regelbarer Kühlluft am Innen- und Außendurchmesser möglich. Die Brennkammer ist drehbar konzipiert, sodass mehrere Anströmvariationen getestet werden können. Die Eintrittsbedingungen für die Turbine, bzw. Austrittsbedingungen des Brennkammersimulators können an zwölf verschiedenen Umfangspositionen in der Messebene zwischen Brennkammersimulator und Turbine mittels traversierbaren Sonden vermessen werden. Durch die eingesetzten Sonden können Strömungswerte wie Druck, Temperatur und Strömungswinkel aufgenommen werden. Es wurden unterschiedliche Anströmsituationen (heiße Strähne des Brennkammersimulators auf Passage zwischen zwei Statoren oder auf die Stator Vorderkante ausgerichtet) mit verschiedenen Heizereinstellungen und unterschiedlichen Kühlluftsettings getestet und die Auswirkung auf die Temperaturverteilung untersucht. Die Ergebnisse zeigen eine gute Nachverfolgbarkeit der heißen Strähnen und ermöglichen dadurch in zukünftigen Schaufeldesigns explizite und effizientere Kühlung der Turbinenschaufeln.