Luftgekühlte Gasturbine
Das heute am häufigsten in Gasturbinen eingesetzte Kühlmedium ist Luft.
Etwa ein Fünftel der vom Verdichter der Gasturbine angesaugten Luft wird zu Kühlzwecken benötigt. Sie wird dem Verdichter entnommen und unter Umgehung der Brennkammer den Gasturbinenschaufeln zugeführt. Sie steht damit für den Turbinenprozess nicht zur Verfügung. Dies wirkt sich nachteilig auf den Wirkungsgrad aus.
Eine Steigerung der heute erreichten Gasturbinentemperaturen von gut 1.200 °C auf langfristig 1.500 °C erfordert die Entwicklung neuer Kühlkonzepte und neuer Werkstoffe bzw. Werkstoffbeschichtungen für die Hochtemperaturbauteile der Gasturbine.
Für Gaseintrittstemperaturen von etwa 1.500 °C reichen die bekannten und heute eingesetzten Kühlungsarten wie Konvektionskühlung, Prallkühlung sowie Filmkühlung oder auch Kombinationen unterschiedlicher Kühlungsarten nicht aus.
Im Rahmen von Forschungsvorhaben werden daher u. a. neue Kühlungsarten wie z. B. die Effusionskühlung und die Transpirationskühlung sowie Werkstofflösungen analysiert, mit denen derart hohe Temperaturen beherrscht werden können.
Die Effusionskühlung stellt eine Weiterentwicklung der Filmkühlung dar. Sie unterscheidet sich von der Filmkühlung dadurch, indem die Kühlluft nicht durch Bohrungen sondern durch einen porösen Werkstoff hindurch gleichmäßig und kontinuierlich auf die gesamte Profiloberfläche geleitet wird.
Bei der Transpirationskühlung wird ein Phasenwechsel des Kühlfluids angestrebt, der eine weitere Steigerung der Kühleffektivität bedeutet. Die Transpirationskühlung ist als langfristige Vision zu sehen. Eine wesentliche Herausforderung besteht darin, den Phasenwechsel gezielt steuern zu können.
Bei den Werkstoffbeschichtungen sind derzeit MCrAlY-Schichten im Einsatz. MCrAlY-Werkstoffe sind Pulverlegierungen aus Nickel, Chrom, Aluminium, Kobalt, Aluminium und Yttrium.
Neue Werkstoffbeschichtungen könnten faserverstärkte Keramiken z. B. aus Al2O3 sein. Für die Entwicklung derartiger Werkstoffe besteht erheblicher Forschungsbedarf.
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