Die Forschungsschwerpunkte am Institut für Thermische Strömungsmaschinen des Karlsruher Instituts für Technologie liegen im Bereich der Turbomaschinen. Dazu zählen vor allem Triebwerke von Flugzeugen sowie Gas- und Dampfturbinen zur Energieumwandlung. Innerhalb der Maschinen fokussieren sich die Forschungsarbeiten auf die „heißen“ Teile der Maschinen. Dazu zählen neben der Brennkammer und der Hochdruckturbine auch das Sekundärluft- und Ölsystem. Daneben sind auch hydraulische Strömungsmaschinen wie Pumpen sowie Ventilatoren verschiedener Bauarten Gegenstand aktueller Forschung. Entsprechend ist das Institut thematisch in vier Arbeitsgruppen unterteilt:
Luft- und Ölsystem
Leitung: Dr.-Ing. Corina Schwitzke
Die effiziente Bereitstellung der Kühlluft, die Verminderung der Dichtungsluft bzw. der Spaltverluste und die optimale Kühlung der thermisch höchst belasteten Wälzlager erfordern hochinnovative Komponenten im Sekundärluft- und Ölsystem, die am Institut für Thermische Strömungsmaschinen mit modernsten Methoden analysiert werden. Die Ergebnisse fließen anschließend in Form von optimierten Berechnungsmethoden in den Auslegungsprozess zukünftiger Triebwerke ein und tragen so zur Umsetzung der hochgesteckten Ziele in der Luftfahrt bei.
Aktuelle Forschungsthemen
| Dichtsysteme | Getriebe |
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| Wälzschälen | Lagerkammer |
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Verbrennung und Zweiphasenströmung
Leitung: Dr.-Ing. Rainer Koch
Passagierjets werden mittelfristig weiterhin mit Flüssigkraftstoffen fliegen. Elektroantriebe oder auch der Einsatz von Wasserstoff werden erst in ferner Zukunft zum Einsatz gelangen. Vielmehr ist zu erwarten, dass die Antriebe bis auf weiteres die Verbrennung von CO2 neutralen Flüssigbrennstoffen nutzen. Zur Reduktion der Schadstoffemissionen aus der Verbrennung in Flugtriebwerke kann aus Gewichtsgründen und wegen der hohen Massenströme nicht auf eine Abgasnachbehandlung zurückgegriffen werden. Deshalb werden von allen Herstellern neue Verbrennungskonzepte entwickelt, mit denen der Schadstoffanteil im Abgas um bis zu 50 % reduziert werden kann. Die Gruppe der Verbrennung und Zweiphasenströmung des Institut für Thermische Strömungsmaschinen beschäftigt sich mit der Konzeption und Optimierung solch schadstoffarmer Brennkammern für zukünftige Gasturbinen. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Einspritzung des Flüssigkraftstoffs, da die Größe und Geschwindigkeit der gebildeten Kraftstofftröpfchen die Schadstoffemissionen entscheidend bestimmt. Mit Lasermesstechnik werden die Strömung, die Einspritzung von Flüssigbrennstoffen und Schadstoffbildung experimentell untersucht. Parallel erfolgt die Entwicklung numerischer Verfahren zur Vorhersage, unter anderem mit einem hauseigenen SPH Forschungscode. Darüber hinaus kommen auch modernste Visualisierungsverfahren wie Virtual Reality zum Einsatz.
Wärmeübergang und Kühlmethoden
Leitung: Dr.-Ing. Jonas Schmid
Höchste Wirkungsgrade zukünftiger Gasturbinen lassen sich durch eine weitere Erhöhung der Turbineneintrittstemperatur erzielen. Bereits heute liegen diese Temperaturen weit oberhalb der Schmelztemperatur verfügbarer Materialien für Brennkammer und Turbinenschaufeln, so dass eine intensive Kühlung erforderlich wird. Am Institut für Thermische Strömungsmaschinen werden daher neue Kühlkonzepte mit Hilfe gezielter Experimente und numerischer Untersuchungen entwickelt. Dabei stehen Wärmeübergang, Kühleffektivität sowie eine Optimierung der Aerodynamik im Vordergrund.
Maschinelle Intelligenz in Energiesystemen
Leitung: Dr. Cihan Ates
Die Energielandschaft unterliegt einem unumkehrbaren Wandel, der durch den technologischen Fortschritt, das wachsende Umweltbewusstsein, ein sich änderndes Verbraucherverhalten, neue Richtlinien, eine veränderte Verfügbarkeit und Preisgestaltung von Brennstoffen, sowie die begrenzte Verfügbarkeit von Ressourcen bedingt ist. Die unmittelbare Kommunikation zwischen "Dingen" bietet heute die Möglichkeit, intelligente Energiesysteme zu entwickeln und die Grenzen zwischen der physischen, digitalen und biologischen Welt aufzulösen. An der Schwelle dieses neuen Forschungszeitalters entwickeln wir neue Methoden zur Lösung komplexer, multivariater Optimierungsprobleme für praktische technische Anwendungen.
Unsere aktuelle Forschung konzentriert sich auf fünf Themen: (i) saubere Verbrennungstechnologien, (ii) KI-gestützte, mehrskalige Simulationen von Transportphänomenen, (iii) Lerntheorie, (iv) KI-gestützte wissenschaftliche Visualisierung und (v) intelligente Sensoren und Wearables für die Zustandsüberwachung.
Hydraulische Strömungsmaschinen
Leitung: Dr. Balazs Pritz
Ventilatoren und Pumpen finden nicht nur millionenfach in der Industrie Anwendung, sie sind auch Bestandteil in einer Vielzahl von Geräten in unserem täglichen Leben. Schon allein aus diesem Grund ist die Anforderung nach energetischer Optimierung naheliegend. Hierbei werden durch steigende Rechenleistungen in immer größeren Umfang numerische Simulationen (Strömungssimulationen, engl.: Computational Fluid Dynamics, CFD) eingesetzt, um aufwendige und teure Experimente zu ersetzen. CFD erlauben Einblicke in die Strömung, wo experimentelle Messungen scheitern. Doch die numerische Modelle müssen sich immer an der Realität messen lassen und sind daher einer gründlichen Validierung am Experiment zu unterziehen. Die Arbeitsgruppe Hydraulische Strömungsmaschinen befasst sich sowohl mit experimentellen als auch numerischen Untersuchungen. Auf diese Weise werden die Maschinen für unterschiedliche Randbedingungen ausgelegt und optimiert.