IDOMENEO - Einfluss von Temperaturverteilungen auf die Optimierung moderner Motorcenterrahmen

Im Zuge derzeitiger Bemühungen, die Schadstoffemissionen von modernen Turboluftstrahltriebwerken, allen voran das Treibhausgas CO2, zu verringern und die neuen Grenzwerte - durch die s.g. ACARE Ziele vorgegeben - zu erreichen, wird versucht, drastisch Gewicht einzusparen um damit den Treibstoffverbrauch zu verringern. Dies gelingt durch leichtere, d.h. im wesentlichen kürzere Triebwerke, durch Verringerung des axialen Schaufelabstandes. In weiterer Folge bedeutet dies auch kürzere und leichtere Gehäuseteile. Aufgrund dieser Entwicklung haben Bereiche mit extrem hohen Temperaturen (s.g. heiße Strähnen), wie sie typisch sind für den Brennkammeraustritt, weniger Zeit sich auszumischen. Deshalb ist zu erwarten, daß auch die typische ungleichförmige Temperaturverteilung aus der Brennkammer (Overall Temperature Distribution Factor OTDF von typischerweise 25%) sich stärker auf weiter stromabwärtsliegende Bauteile wie die direkt an die Hochdruckturbine angrenzenden Schaufeln des Turbinenzwischengehäuses (engl. "turbine centre frame" TCF) und auf die Strömung durch eben diese Bauteile selbst auswirken kann. Da auch beim TCF versucht wird, Gewicht durch immer "aggressivere" Ausführungen einzusparen, ist es von großem Interesse, den Einfluß von diesen s.g. heißen Strähnen auf die ohnedies schon ablösegefährdete Strömung zu untersuchen. Außerdem ist man bestrebt, den Kühlluftbedarf zu reduzieren und das Druck- und Temperaturniveau am Brennkammeraustritt weiter anzuheben, um den Wirkungsgrad weiter steigern zu können. Bei einem gleichbleibenden OTDF steigt somit auch die maximale Strähnentemperatur an. Die Wechselwirkung zwischen diesen heißen Strähnen und den Bauteilen kann zur Reduktion der Lebensdauer bzw. zum Totalausfall der heißgasführenden Teile führen. Daher ist es aus Sicherheits-, Umwelt- und Wirtschaftlichkeitsgründen unumgänglich, diese Wechselwirkung und deren Risiken zu quantifizieren, um sie schon im Auslegungsprozess entsprechend berücksichtigen zu können. In diesem Projekt wird eine Sektor-Ringgitterkaskade aufgebaut, in der der Einfluss von heißen Strähnen auf die Aerodynamik und den Wärmeübergang (bestimmend für die Bauteillebensdauer bzw. Kühlluftbedarf) an der TCF Schaufel und den Seitenwänden experimentell untersucht wird. Als experimentelle Eintrittsrandbedingung soll das Strömungsfeld, bekannt aus Messungen, nachgebildet werden. Die Untersuchung erfolgt bei verschiedenen radialen und azimutalen Positionen dieser heißen Strähnen in Bezug auf die TCF Vorderkante. Die Untersuchung dieses realen Effektes unter triebwerksrelevanten Bedingungen hebt dieses Vorhaben deutlich vom Stand der Technik ab, wobei die Experimente durch numerische Simulationen unterstützt werden.