Mit dem Zyklon-Filmkühl-Prüfstand werden die Auswirkungen der Zyklonkühlung (konvektive Innen-kühlung) auf den Kühlfilm an der Oberfläche einer Turbinenschaufel untersucht. Ziel hierbei ist es, die Turbinenschaufelkühlung zu steigern und somit die Effizienz eines Triebwerks zu verbessern.
Der Prüfstand ist in Betrieb seit Ende September 2008.
| Hauptgebläse: | |
| Gebläsetyp | Radialventilator |
| Motor | Niederspannungs-Drehstrommotor |
| Drehzahlregelung | Frequenz-Umrichter |
| Leistung | 45kW |
| Maximale Druckdifferenz | 5000Pa |
| Maximaler Volumenstrom | 21300m³/h |
| Windkanal: | |
| Typ | Geschlossene Messstrecke mit offener Luftrückführung (Eiffel) |
| Betriebsart | Saugbetrieb |
| Messkammerquerschnitt | 550 x 275mm |
| Geschwindigkeitsbereich | 3,5 – 37m/s |
| Messverfahren | Ammoniak-Diazo-Verfahren |
| Sekundärgebläse: | |
| Typ | Seitenkanalverdichter |
Ammoniak Diazo Methode:
Die eingesetzte Messmethode, um die Filmkühleffektivität bzw. die Güte des Kühlfilms zu bestimmen, ist die Ammoniak-Diazo-Methode. Hierbei wird auf die Oberfläche des Schaufel-Modells eine Diazofolie aufgeklebt, welche sich bei Kontakt mit Ammoniak dunkel verfärbt. Nun wird der Kühlluft für einige Sekunden ein kleiner Anteil Ammoniak-Gas beigemischt. Dieses Gemisch wird durch die Filmkühlbohrungen geleitet und verfärbt die Folie entsprechend der jeweiligen Ammoniakkonzentration. Diese Konzentration, bzw. Verfärbung ist proportional zur Filmkühleffektivität.
Zyklonkühlung:
Das aktuell an diesem Prüfstand laufende Forschungsvorhaben wird im Rahmen von Lufo 4 in Zusammenarbeit mit Rolls-Royce Deutschland durchgeführt.
Durch die Erhöhung der Turbineneintrittstemperatur und damit verbunden die Erhöhung des Arbeitsvermögens des Heißgases, kann mit der angepassten Turbine eines Flugtriebwerks mehr Leistung gewonnen werden. Dazu muss gewährleistet werden, dass die einzelnen Stufen der Turbine auch bei den hohen Eintrittstemperaturen eine ausreichende Festigkeit und Lebensdauer besitzen. Schon bei den heutigen Triebwerken liegen die Eintrittstemperaturen über der Schmelztemperatur der Schaufelmaterialien. Durch Materialforschung und Beschichtungen konnte die mögliche Temperatur in den letzten Jahren immer weiter erhöht werden, doch muss immer zusätzlich eine Kühlung der Schaufeln mit Luft, die aus dem Verdichter abgezweigt wird, durchgeführt werden. Heutzutage kommt für die erste hoch belastete Turbinenstufe nur eine effektive Innenkühlung in Kombination mit der Filmkühlung in Frage. Dabei legt sich der Kühlfilm wie ein Schutzfilm über die Schaufeloberfläche und dient als zusätzliche Isolationsschicht gegenüber dem Heißgas.
Da einerseits durch die gestiegenen Druckverhältnisse im gesamten Triebwerk die vom Verdichter abgezweigte Kühlluft immer wärmer wird, und andererseits so viel Luft wie möglich am Verbrennungsprozess teilnehmen soll, ist eine Steigerung der Kühleffektivität eines der wichtigsten Ziele des Ingenieurs, der die Schaufelkühlsysteme auszulegen hat.
Eine viel versprechende Methode der konvektiven Schaufelinnenkühlung ist die so genannte Zyklonkühlung, durch die der innere Wärmeübergang zwischen Schaufel und Kühlluft verglichen mit den herkömmlichen konvektiven Innenkühlmethoden deutlich erhöht werden kann. Bei dieser Kühlmethode wird der Kühlluft bereits am Eintritt des Schaufelkühlkanals ein Drall durch einen dafür vorgesehenen Drallerzeuger aufgezwungen, so dass sich der radialen Strömungskomponente eine stark ausgeprägte Sekundärströmungskomponente überlagert.
Am Zyklon-Filmkühlprüfstand wird untersucht, inwieweit die Zyklonkühlung einen Einfluss auf den Kühlfilm hat.