Kühlung additiv gefertigter Turbinenschaufeln – Einfluss von Rauheit und verringerten Dimensionen der Turbulatoren auf den Wärmeübergang in Innenkühlkanälen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ronald Mailach
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 492295969

Additive Fertigungsverfahren wie Selective Laser Melting (SLM) oder Laser Metal Deposition (LMD) werden in naher Zukunft eine wichtige Rolle bei der Fertigung und Reparatur von Heißgas-Komponenten in Gasturbinen spielen. Die Fertigung von gekühlten Turbinenschaufeln wird dabei durch die neuen Produktionsmethoden einen deutlich erweiterten Parameterraum für die Auslegung des Kühlsystems erfahren, um so durch kostengünstigere Fertigung und Verbesserung des thermischen Wirkungsgrads zu den Kosten- und Emission-Reduktionszielen beizutragen. Neben grundlegenden Änderungen in der Strömungsführung und Kühlluftverteilung verändert sich der mögliche Parameterraum für das interne Kühlsystem, bestehend aus mit Turbulatoren (Rippen, Pins etc.) versehenen Kanälen. Hierbei wird durch additive Fertigung eine engere Rippenteilung (P/e≤5) und eine geringere Rippenhöhe im Verhältnis zum hydraulischen Durchmesser (e/Dh≤0.1) möglich. Weiterhin wird die interne Geometrie zeitgleich mit den Kühlluftbohrungen gefertigt. Dies ermöglicht eine präzisere Vorgabe und Umsetzung der relativen Position von Turbulator und Kühlluftbohrung zueinander. Für die gezielte Berücksichtigung der Interaktion von interner Strömung und Filmkühlung auf die thermische Auslastung der Schaufel ist ein grundlegendes Verständnis dieser Wechselwirkung erforderlich. Das Vorhaben will durch eine Kombination von experimentellen und numerischen Arbeiten zum Verständnis der internen Kühlung bei durch additive Fertigung möglichen feineren und engeren Strukturen der Turbulatoren und deren Wechselwirkung mit der Kühlluftentnahme beitragen. Darüber hinaus weisen additiv gefertigte Bauteile eine charakteristische Rauheit der Oberflächen auf, welche primär von den Parametern der Fertigung abhängt. Durch Wärmeübergangsmessungen einer skalierten rauen Oberfläche soll untersucht werden, ob eine Steigerung des Wärmeübergangs auch bei Kombination von Rippen und großer Rauheit auftritt.Ziel des Vorhabens ist es, durch systematische Variation der Rippenhöhe e, der Rippenteilung P und der Höhe des Kühlkanals H den Einfluss von Blockageverhältnis e/Dh, Rippenteilungsverhältnis P/e und das Seitenverhältnis AR auf Wärmeübergang, Strömungsfeld und thermale Leistungsfähigkeit, im durch additive Fertigung zugänglichen Parameterbereich, zu erforschen. Es wird sich auf schräge 60° Rippen konzentriert und die Lochposition der Filmkühlungsbohrung primär in lateraler Richtung variiert. Strömungsfeld und Wärmeübergang werden für die verschiedenen Konfigurationen beginnend von der ersten Rippe bis zur entwickelten periodischen Strömung analysiert. Die experimentellen Untersuchungen werden numerisch durch Large Eddy Simulationen (LES) begleitet. Die Numerik soll zunächst an Versuchen validiert werden, um dann eine bessere Analyse und ein verbessertes Verständnis der physikalischen Grundlagen zu ermöglichen. Die hochwertigen numerischen Simulationen können genutzt werden um den Parameterraum der Untersuchung zu erweitern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen