Aerodynamische Kühlfilmbohrungen

Die extrem hohen Temperaturen in Brennkammern und Turbinen haben einen negativen Effekt auf die Materialeigenschaften der hoch belasteten metallischen Komponenten. Mittels kühler Luft zwischen Metalloberfläche und heißer Verbrennungsluft kann die Temperatur der Komponenten reguliert werden. Um die Einbußen im thermischen Wirkungsgrad durch diese Luftkühlung so gering wie möglich zu halten, muss die kühle Luft möglichst gleichmäßig und effizient auf der Bauteiloberfläche verteilt werden.

Stand der Technik

Ein gängiges Verfahren dafür sind Kühlfilmbohrungen: Die kühle Luft wird hier durch innenliegende Kanäle und millimeterkleine Bohrungen an die Oberfläche geführt und verteilt sich beim Austritt als schützender Kühlfilm. Bei den üblichen scharfkantigen, zylindrischen Bohrungen aus Richtung des Kühlluftkanals strömt die Luft orthogonal zu deren Orientierung in die Bohrung ein, wodurch sich hohe aerodynamische Verluste bei der Umlenkung ergeben. In Kombination mit einem Diffusor als Austrittsgeometrie, der die Kühlluft auffächert, treten suboptimale Strömungen sowie ein Drall in der Bohrung auf. Dies führt letztlich zu einem ungleichmäßigen Kühlfilm und zur Abnahme der Kühlwirkung.

Technologie

Wissenschaftler des Instituts für Thermische Strömungsmaschinen (ITS) verbessern die Aerodynamik in der Bohrung insgesamt, indem sie die kühlluftseitige Eintrittsgeometrie verändern. Hierfür wird ein sogenannter NACA-Einlauf (National Advisory Committee for Aeronautic) mit einer zusätzlichen Verrundung der Kanten am Kühllufteintritt eingesetzt. Der NACA-Einlauf reduziert den Drall in der zylindrischen Bohrung, während die Verrundung für weniger Turbulenzen und eine geringere Strömungsablösung sorgt. Die veränderte Einlaufgeometrie führt zu einer gleichmäßigeren Strömung innerhalb der Bohrung und zu einer stabileren, symmetrischeren Kühlluftausblasung, wodurch die Kühlfilmausbreitung besser prognostizierbar ist.

Vorteile

Die optimierte Kühlfilmbohrung reduziert zum einen die aerodynamischen Verluste am Kühllufteintritt, zum anderen wird durch die homogenere Verteilung der Kühlluft in laterale Richtung auf der zu kühlenden Oberfläche eine höhere Kühlwirkung erzielt. Insgesamt ergibt sich daraus eine höhere Effizienz sowie eine Steigerung des thermischen Wirkungsgrades.

Option für Unternehmen

Die Bohrungsoptimierung wurde experimentell und in Modellbetrachtungen am ITS verifiziert. Das KIT sucht Industriepartner für anwendungsspezifische Entwicklungsprojekte sowie zur Lizenzierung.