Ein Forscherteam der TU Kaiserslautern untersucht neuartige Kühlungskonzepte für hocheffiziente Gasturbinen und leistet damit einen Beitrag zur Modernisierung des Heizkraftwerks der Stadtwerke Kaiserslautern.

Das zukünftige System zur Energieerzeugung in Deutschland und auch in Europa steht ganz im Zeichen der Energiewende. Im Zuge eines schrittweisen Ausstiegs aus der Kohleverstromung setzen die Stadtwerke Kaiserslautern im Rahmen einer umfassenden Modernisierung ihres Heizkraftwerks auf moderne und effiziente Gasturbinen der Firma MAN Energy Solutions SE aus Oberhausen. Das neue Heizkraftwerk arbeitet nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung. Das heißt, es erzeugt Strom und Wärme gleichzeitig vor Ort und reduziert damit den Einsatz der Primärenergie.

Das Forscherteam am Lehrstuhl für Strömungsmechanik und Strömungsmaschinen (SAM) unter der Leitung von Professor Martin Böhle von der TU Kaiserslautern leistet hierbei einen wichtigen Beitrag: Seit 2014 erforscht das Team am institutseigenen Turbinenprüfstand zusammen mit MAN neuartige Kühlungskonzepte.

Um die Effizienz zu erhöhen und damit die Umweltbilanz zu verbessern, arbeiten moderne Gasturbinen mit sehr hohen Prozesstemperaturen, die die Schmelztemperaturen von hochwarmfesten Stählen weit übersteigen. Damit die Komponenten der Turbine durch die hohen Temperaturen nicht beschädigt werden, ist eine aktive Kühlung erforderlich. Die Forschungsarbeit am Turbinenprüfstand richtet sich hierbei auf die Kühlung der thermisch höchstbelasteten Komponenten, die sich hinter der Brennkammer der Gasturbine befinden. Hierzu untersucht das SAM-Team der TU Kaiserslautern neuartige Kühlungskonzepte, die die konstruktiv vorhandenen Spalte zwischen den Komponenten nutzen, um gezielt Kühlluft einzubringen.

Im Rahmen ihrer Dissertationsvorhaben erforschen Gunther Müller und Christian Landfester, wie sich eine optimale Kühlung mit Leckageluft aus dem sogenannten Purge Slot unter maschinenähnlichen Bedingungen realisieren lässt – bei gleichzeitiger Verbesserung der aerodynamischen Effizienz. Um sogenannte Filmkühleffektivitäten und Wärmeübergangskoeffizienten zu bestimmen, kommen hierbei fortschrittliche Untersuchungsmethoden wie beispielsweise Pressure Sensitive Paint und IR-Thermografie zum Einsatz. Die zur Anwendung dieser Messtechniken notwendigen Detektoren werden mit einem hochpräzisen 6-Achs-Industrie-Roboter verfahren und positioniert. Wesentliche Teile des Prüfstands wurden in den CNC-gesteuerten Bearbeitungszentren der universitätseigenen Metallwerkstätten gefertigt, die bei der Herstellung der komplizierten Turbinenschaufel-Geometrien ihre Leistungsfähigkeit unter Beweis gestellt haben.

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