Die Steigerung des Gesamtwirkungsgrades ist eine wesentliche Zielgröße bei der Entwicklung zukünftiger Strahlantriebe. Hierdurch wird der spezifische Kraftstoffverbrauch reduziert, was neben der Einsparung von Kosten auch eine Reduktion von CO₂- und NO_x-Emissionen mit sich bringt. Eine Möglichkeit zur Optimierung des Gesamtwirkungsgrades besteht unter anderem in der Verbesserung einzelner Komponenten.

Seit nun mehreren Jahrzehnten beschäftigt sich die Forschung mit der Optimierung der Kühlmethoden von Turbinenschaufeln. Diese sind Temperaturen weit über der Schmelztemperatur des Materials der Schaufeln ausgesetzt, weswegen ein nicht unerheblicher Anteil der Verdichterluft für Kühlzwecke abgezweigt werden muss. Das Institut für Thermische Strömungsmaschinen setzt einen Forschungsschwerpunkt in der Optimierung bestehender wie auch neuer Kühlmethoden. In Kooperation mit renommierten Triebwerksherstellern werden hierfür Prüfstände aufgebaut, mit denen experimentelle Daten wie Fluidtemperaturen, Wärmeübergänge oder Strömungsfelder erhoben werden können. Ein aktueller Fokus liegt hierbei auf der thermischen Belastung von Schaufelplattformen. 

Unterplattformkühlung

Neben einer heißgasseitigen Betrachtung, also der Kühlung des Schaufelprofils oder der Seitenwand der Schaufel, werden auch Wärmeübergänge an der Unterseite der Plattform untersucht. Hierfür wird aktuell ein neuer Kaskadenprüfstand konzipiert, um die Wärmeübergänge über den Unterplattformbereich oder auch Temperaturfelder und Strömungsfelder innerhalb der Kavität und durch die verschiedenen Spalte zu untersuchen. Sowohl für die thermischen als auch die aerodynamischen Untersuchungen werden optische Messverfahren verwendet. Die Temperaturverteilung von Außenwänden lässt sich mittels Infrarotthermographie (IRT) erfassen. Zur Messung der Strömungsfelder werden wiederum die Methode der Particle Image Velocimetry (PIV) oder die Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) verwendet. Mittels synchroner Betrachtung dieser Messungen soll ein tieferes Verständnis von den Auswirkungen der aerodynamischen Phänomene auf die Kühlwirkung und die thermische Belastung des Bauteils gewonnen werden.

Quellen:

[1] Bräunling, Willy J. G. (2015), Flugzeugtriebwerke. 4. Aufl., Hamburg, Springer Verlag, ISBN 978-3-642-34538-8

[2] Rolls-Royce plc (1986), The jet engine. 5. Aufl., Derby, Renault Printing Co Ltd, ISBN 0902121 235