Anwendung sowie Bewertung der LCT/TLC - Lehrstuhl ...

Kühlfilmeffektivität und ihre Messung
3 Kühlfilmeffektivität und ihre Messung
3.1 Kühlfilmeffektivität
Vor allem in Gasturbinen und Flugzeugtriebwerken werden die verwendeten Materialien bis
an ihre Grenzen belastet. Dies ist jedoch die logische Folge der Weiterentwicklung, da höhe-
re Leistungsfähigkeit und Wirkungsgrade einhergehen mit extremen Temperaturen.
Die höchstbelasteten Komponenten sind die Turbinen direkt hinter der Brennkammer. Ihre
Aufgabe besteht darin, ein zum Teil über 2000 K heißes, schnelles Gas durch Umlenkung in
Rotationsenergie umzusetzen. Was stark vereinfacht folgt, ist entweder Schub im Flugtrieb-
werk oder auf einem Generator erzeugte elektrische Energie bei der Gasturbine.
In jedem Fall sind die dabei wirkenden Temperaturen auf die Turbinenschaufeln zu groß, als
das die hoch entwickelten, verwendeten Nickelsuperlegierungen einem direkten Kontakt
standhalten könnten.
Um trotzdem weit über dem eigenen Materialschmelzpunkt arbeiten zu können, werden Tur-
binenschaufeln mit kälterer Verdichterluft „gekühlt“. Der Begriff Kühlluft sollte hier relativ be-
trachtet werden, da die hierfür benutzte Hochdruckverdichterluft bis zu 900 K heiß sein kann.
Dennoch reicht die Temperaturdifferenz zum Heißgas aus, um einen schützenden Kühlfilm,
ein Gemisch aus Kühlluft und Heißgas, um die rotierende Schaufel zu legen. Im Idealfall ha-
ben die Turbinenschaufeln nie direkten Kontakt mit dem Heißgas und somit eine weit aus
höhere Lebensdauer.
Es werden drei Schaufelfühlungskonzepte unterschieden:
1. Konvektionskühlung (Prallkühlung); findet nur im Inneren der Schaufel statt und
kühlt über den Wärmetransport aus dem Schaufelinneren
2. Filmkühlung; Ausblasungen über Bohrungen an besonders beanspruchten
Schaufelbereichen (Vorder- und Hinterkante)
3. Effusionskühlung; theoretisch effektivstes Kühlungsverfahren, poröse Wände ver-
sprechen hohen Wärmeübergang bei minimalen Kühlluftbedarf, v.a. Fertigungs-
und Verschmutzungsprobleme (Lochverstopfung) verhinderten bisherigen Einsatz
in der Praxis
Für diese Arbeit soll die Filmkühlung im Vordergrund stehen. Diese Kühlung basiert auf zwei
Vorgängen. Zum einen auf konvektiver Wärmeaufnahme: In den Bereichen, wo der Kühlluft-
strahl aus den Kühlungsbohrungen tritt, reduziert er die Materialtemperatur im bohrungsna-
hen Bereich spürbar. Sowie zum anderen durch Wärmeeinkopplung an der Schaufeloberflä-
che. Hier findet nach der Ausblasung ein Durchmischungsprozess zwischen Kühlluft und
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